Miniatur-Energieversorgung Neues Design für leistungsfähige Mikrobatterien

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Die Übertragung der elektrochemischen Leistung von großformatigen Batterien auf Mikro-Energiequellen ist seit Langem eine technologische Herausforderung, die die Verwendung von Batterien in Mikrogeräten, Mikrorobotern und implantierbaren medizinischen Geräten limitiert. Eine neuartige Mikrobatterie lässt hoffen.

Forscher der University of Illinois Urbana-Champaign haben eine Mikrobatterie mit hoher Spannung (größer 9 V) sowie hoher Energie- und Leistungsdichte entwickelt, die alle bisherigen Batteriedesigns übertrifft. Professor Paul Braun (Distinguished Chair in Engineering, Materials Research Laboratory Director), Dr. Sungbong Kim (Postdoc, MatSE, derzeit Assistenzprofessor an der Korea Military Academy, Co-Erstautor) und Arghya Patra (Graduate Student, MatSE, MRL, Co-Erstautor) haben ihre Forschungsarbeit „Serially integrated high-voltage and high-power miniature batteries“ im Magazin „Cell Reports Physical Science“ veröffentlicht.

Das Team demonstrierte hermetisch verschlossene, langlebige, kompakte Lithiumbatterien mit außergewöhnlich geringer Masse in ein-, zwei- und dreifach gestapelten Konfigurationen (Bild 1). Braun erklärt: „Wir brauchen leistungsfähige Kleinstbatterien, um das Potenzial von Mikrogeräten durch verbesserte Elektrodenarchitekturen und innovative Batteriedesigns voll auszuschöpfen. Das Problem: Bei immer kleineren Batterien dominiert das Gehäuse das Volumen und die Masse der Batterie, während die Elektrodenfläche im Verhältnis immer kleiner wird. Dies führt zu einer drastischen Verringerung der Energie und Leistung der Batterie.“

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Gehäuseanteil radikal reduziert

Die Forscher haben daher eine neuartige Verpackungstechnologie entwickelt, bei der die positiven und negativen Kontakte als Teil der Verpackung selbst (und nicht als separate Einheit) verwendet werden. Dies ermöglichte ein kompaktes Volumen (≤ 0,165 cm3) und einen geringen Gehäuseanteil (10,2 Prozent) der Batterien. Außerdem wurden die Elektrodenzellen vertikal in Reihe geschaltet, was zu einer hohen Betriebsspannung der Batterie führte.

Eine weitere Möglichkeit zur Verbesserung dieser Mikrobatterien ist die Verwendung sehr dichter Elektroden, die eine höhere Energiedichte ermöglichen. Normale Elektroden bestehen zu fast 40 Prozent ihres Volumens aus Polymeren und Kohlenstoffzusätzen – beides sind keine aktiven Materialien.

Hochdichte Elektroden ohne Zusätze

Brauns Gruppe hat mithilfe eines Verfahrens der direkten Elektroabscheidung bei mittlerer Temperatur Elektroden hergestellt, die hochdicht sind und keine Polymer- oder Kohlenstoffzusätze enthalten. Diese hochdichten Elektroden verfügen über eine höhere volumetrische Energiedichte als kommerziell erhältliche Exemplare.

Die Mikrobatterien in dieser Forschungsarbeit wurden mit galvanischen DirectPlate-LiCoO2-Elektroden ausgestattet, die von der Xerion Advanced Battery Corporation (XABC, Dayton, OH, USA) hergestellt werden – einem Unternehmen, das aus der Braun-Forschung hervorgegangen ist.

Patra erklärt: „Bisher waren Elektrodenarchitekturen und Zelldesigns im Mikro-Nanomaßstab auf leistungsdichte Designs beschränkt, die auf Kosten der Porosität (Verhältnis von Hohlraumvolumen zu Gesamtvolumen) und der volumetrischen Energiedichte gingen. Mit unserer Arbeit ist es uns gelungen, eine Energiequelle im Mikromaßstab zu schaffen, die sowohl eine hohe Leistungsdichte als auch eine hohe volumetrische Energiedichte aufweist.“

Energieversorgung für Miniroboter

Ein wichtiges Anwendungsgebiet dieser Mikrobatterien (Bild 2) ist der Betrieb von insektengroßen Mikrorobotern (Bild 3), die beispielsweise bei Naturkatastrophen, Such- und Rettungseinsätzen und in gefährlichen Umgebungen, zu denen Menschen keinen direkten Zugang haben, wertvolle Informationen sammeln können.

Co-Autor James Pikul, Assistenzprofessor an der University of Pennsylvania, betont: „Die hohe Spannung ist wichtig, um die elektronische Nutzlast zu reduzieren, die ein Mikroroboter tragen muss. Mit einer Spannung von 9 V können Motoren direkt mit Strom versorgt werden, und der Energieverlust bei der Erhöhung der Spannung auf Hunderte oder Tausende von Volt, die einige Aktoren benötigen, wird verringert. Das bedeutet, dass diese Batterien Verbesserungen auf Systemebene ermöglichen, die über die Erhöhung der Energiedichte hinausgehen, sodass kleine Roboter sich weiter bewegen oder mehr wichtige Informationen an den Bediener übermitteln können.“

Wissenslücke geschlossen

Kim fügt hinzu: „Unsere Arbeit schließt die Wissenslücke an der Schnittstelle zwischen der Materialchemie, den einzigartigen Anforderungen an die Materialherstellung für energiedichte, planare Mikrobatteriekonfigurationen und der angewandten Nanomikroelektronik, die eine eingebettete Hochspannungsquelle für den Antrieb von Mikroaktoren und Mikromotoren benötigt.“

Braun, der sich schon früh mit der Miniaturisierung von Batterien beschäftigt hat, fasst zusammen: „Unser derzeitiges Mikrobatterie-Design ist sehr gut geeignet für Anwendungen mit hoher Energie, hoher Leistung, hoher Spannung und einfacher Entladung. Der nächste Schritt besteht darin, das Design auf alle Festkörper-Mikrobatterieplattformen zu übertragen, die von Natur aus sicherer und energiedichter sind als ihre flüssigkeitsbasierten Pendants.“ Zu den weiteren Mitarbeitern seines Teams gehören Dr. James H. Pikul (Assistenzprofessor, University of Pennsylvania), Dr. John B. Cook (XABC), Dr. Ryan Kohlmeyer (XABC), Dr. Beniamin Zahiri (Forschungsassistenzprofessor, MRL, UIUC) und Dr. Pengcheng Sun (Forschungswissenschaftler, MRL, UIUC). (me)

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