Akkus für kleinste Dimensionen

Forschende des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR), des Fraunhofer-Instituts All Silicon System Integration Dresden (ASSID), des Fraunhofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) in Berlin und der TU Bergakademie Freiberg arbeiten an einer neuartigen, direkt auf einem Siliciumwafer integrierbaren Festkörper-Lithium-Ionen-Batterie. Damit sollen kleinste elektronische Komponenten mit Strom versorgt und einige den Lithium-Ionen-Flüssig­batterien innewohnenden Nachteile beseitigt werden. „Sensorchips, Wearables oder medizinische Implantate der Zukunft, aber auch im Internet der Dinge eingebettete Geräte benötigen eine autonome und miniaturisierte Energieversorgung“, sagt Charaf Cherkouk, Koordinator des Projekts vom Institut für Ionenstrahl­physik und Material­forschung am HZDR. „Hinter unserem Projektkürzel FKLIB verbirgt sich eine neuartige, kosten­effiziente, direkt auf einem Siliziumwafer integrierte Festkörper-Lithium-Ionen-Batterie, an der wir mit unseren Partnern arbeiten.“ 

Bei ihrem Vorhaben setzen die Forschenden auf neuartige Kernkomponenten des Mikroakkus. Da ist zum einen eine Kupfer-Silicid-Anode mit drei­dimensionaler Struktur, die besonders stabile Lade- und Entlade-Zyklen und im Vergleich zu herkömmlichen Mikrobatterien deutlich höhere Kapazitäten ermöglicht. Des Weiteren kommt ein Festkörper­elektrolyt aus einem hybriden Keramik-Polymer zum Einsatz. „Damit adressieren wir gängige Probleme von Flüssigelektrolyten in herkömmlichen Lithium-Ionen-Flüssigbatterien, etwa ihre hohe Entflamm­barkeit, die Gefährdung durch toxische Bestandteile und die geringe Temperatur­beständigkeit“, sagt Cherkouk. Der Verzicht auf eine reine Lithium-Elektrode verhindert eine frühzeitige Ausbildung von Dendriten, die als Folge von Kristallisations­prozessen an der Grenzfläche zum Elektrolyten entstehen und eine Leistungs­einbuße des Elektroden­materials zur Folge haben. Darüber hinaus soll eine kobaltfreie Kathode aus Lithiumeisenphosphat eine frühzeitige Verringerung der Speicher­kapazität verhindern.

Im Vergleich zur herkömm­lichen Graphitanode konnten die Forschenden in Vorarbeiten bereits zeigen, dass sich mit einer Kupfer-Silicid-Anode die Kapazität um das Fünffache steigern und die Energiedichte der Batteriezelle um vierzig Prozent erhöhen lässt. Die sich in der Anode abwechselnden Nano-Lagen aus Silizium und Kupfer-Silicid haben sie bereits erfolgreich in Zusammenarbeit mit dem IZM in der beschriebenen Konfiguration demonstriert. Das IZM-Team wiederum konnte Lithium-Ionen-Mikro­batterien mittels Silizium-Wafer-Technologien entwickeln und in Kleinserien für Industriekunden herstellen. Der Haken: in Hunderten dieser Mikrobatterien muss der Flüssigelektrolyt direkt auf dem Wafer eingefüllt werden – eine knifflige Arbeit. Deshalb ist für die Forschenden der Schritt zum Festkörper­elektrolyten konsequent, denn diese weisen neben einer vergleichsweise einfacheren Handhabung sehr geringe Grenzflächen­widerstände und eine hohe Zyklen­festigkeit auf.

Die einzelnen Batterie-Bestandteile können die Teams vom HZDR und IZM in ihren Einrichtungen durch dort etablierte Technologien fertigen: mit Methoden der Dünnschicht­abscheidung in Verbindung mit Dickschicht- und Drucktechniken sowie der Blitzlampen­ausheilung. Letztere ist der thematische Schwerpunkt des Helmholtz Innovation Labs Blitzlab am HZDR. „Die Nutzung der energie- und ressourcen­sparenden Blitzlampen­ausheilung für die Herstellung von Silizium-basierten Anoden ist ein weiteres Beispiel für einen gelungenen Technologie­transfer zu industrienahen Anwendungen,“ sagt Lars Rebohle, Leiter des Blitzlab.

Am Fraunhofer IZM-ASSID arbeiten die Forschenden hingegen an der Mikro­strukturierung mit Struktur­größen von bis zu einem Mikrometer. Bei den verwendeten Materialien handelt es sich hierbei sowohl um Nichtleiter als auch um Metalle. Als Substrate dienen Silizium und Glas verschiedener Dicken bei Wafergrößen von 200 und 300 Millimetern. Das Institut verfügt über eine dem neusten Stand der Technik entsprechende Technologie für die 3D-Wafer-Level-System­integration. Diese Prozesslinie ist insbesondere auf eine fertigungsnahe und industrie­kompatible Entwicklung und Prozessierung ausgerichtet. Darüber hinaus hat das Team große Erfahrung bei der Vereinzelung selbst sehr empfindlicher Bauteile, eine Voraussetzung, um aus einem Wafer einzelne Bauelemente mit minimalen Verlusten zu gewinnen. Neben klassischen Sägeverfahren können die Batterien hier auch mittels laser­basierter Technologien und chemischer Methoden vereinzelt werden.

Das Institut für Experimentelle Physik der TU Bergakademie Freiberg wird mit seinen einschlägigen Kompetenzen bei röntgen­analytischen Methoden zum besseren Verständnis der chemo­physikalischen Mechanismen an den Grenzflächen zum Elektrolyten beitragen. Für Cherkouk ist das Ziel klar umrissen: „Am Ende des Projekts soll der Demonstrator einer integrierten Chip-Batterie für Einsatzgebiete im Bereich integrierter Schaltkreise und Sensorsysteme stehen. Solche Systeme sind für ihre Energie­versorgung bisher auf Add-On-Chip-Lösungen angewiesen. Für eine spätere Vermarktung werden Partnerschaften mit großen Batterie­herstellern sowie Produzenten von Sensor­systemen und Komponenten für die Medizintechnik angestrebt.“

HZDR / JOL