Wie lange kann eine Batterie, die kleiner als ein Salzkorn ist, Strom liefern?

Batterien sind in unserem Leben unverzichtbar. Batterien gibt es in allen Größen, von großen Batterien, die Elektroautos antreiben können, bis hin zu Knopfbatterien, die in Uhren passen.

Wie klein ist die kleinste Batterie, die Sie je gesehen haben?

Kürzlich haben Forschungsteams der Technischen Universität Chemnitz und des Changchun Institute of Applied Chemistry der Chinesischen Akademie der Wissenschaften zusammengearbeitet, um die bislang kleinste Mikrobatterie zu entwickeln, die kleiner als ein Salzkorn ist. Es kann den kleinsten Computerchip der Welt etwa 10 Stunden lang mit Strom versorgen und kann wiederholt aufgeladen werden.

Die kleinste Mikrobatterie der Welt (Bildquelle: Referenzen)

Wie funktionieren Batterien?

Wir können uns eine Batterie als ein mehrschichtiges Sandwich vorstellen, bei dem zwei Elektroden elektrische Energie in Form chemischer Energie speichern. Zwischen den beiden Elektroden leitet ein Elektrolyt den Ladungsfluss und zwei Metallkollektoren auf den Elektroden leiten den Strom zum externen Stromkreis. Kleinere Elektroden können weniger Ladung halten und Risse und andere Defekte können den Ladungsfluss blockieren. Auch gewundene Wege von Ionen und Elektronen in dicken Materialschichten können den Widerstand erhöhen und so zu Leistungsverlusten führen.

Aufbau einer Knopfzelle (Bildquelle: Eigenübersetzung des Autors)

Bei der Entwicklung von Mikrobatterien sind zwei Punkte entscheidend: klein und präzise. „Small“ bezieht sich auf kleine Größe; Präzise bedeutet, dass die Batterie über eine ausreichende Energiedichte verfügt, was besonders hohe Anforderungen an den Herstellungsprozess stellt.

Die Produktionstechnologie von Mikrobatterien unterscheidet sich völlig von der im alltäglichen Gebrauch verwendeten Batterieherstellungstechnologie.

Knopfzellen mit hoher Energiedichte werden im Nasschemieverfahren hergestellt. Dabei werden die Elektrodenmaterialien und Additive der Batterie auf Metallfolien aufgetragen und zwischen den Elektroden eine Elektrolytmembran angeordnet. Die Elektroden sind bis zu 100 µm dick. Die mit diesem Herstellungsverfahren hergestellten Batterieelektroden sind zu dick, während der Chip Elektrodendicken von mehreren Mikrometern zulässt und zudem die speicherbare Ladungsmenge begrenzt ist. Dies stellt eine enorme Herausforderung an die Verarbeitung und Leistung von Mikrobatterien dar.

Um das Ziel zu erreichen, die Mikrobatterie klein und präzise zu machen, wandte das Team das „Swiss Roll“-Verfahren an. „Swiss Roll“, wie der Name schon sagt, wird die Batterie Schicht für Schicht wie eine Biskuitrolle aufgerollt.

Das Aussehen der Biskuitrolle (Bildquelle: Veer Gallery, Referenzen)

Beim „Swiss Roll“-Verfahren entsteht durch die Beschichtung unterschiedlicher Folien ein spannungsbehaftetes Schichtsystem. Diese Spannung ist vergleichbar mit der Energie, die von der Feder in einem Stahlbandmaß übertragen wird. Die Spannung wird gelöst, indem sich die Folie automatisch zu einer Biskuitrollenstruktur aufrollt. Daher ist zum Aufbau dieser sich spontan aufwickelnden zylindrischen Mikrobatterie keine äußere Kraft erforderlich.

Eine Standard-Mikrobatterie vom Typ „Swiss Roll“ besteht aus mindestens fünf Schichten: zwei Kollektorschichten, einer Kathodenmembran, einer Anodenmembran und einer Elektrolytmembran. Eine derart komplexe Überlagerung erfordert eine extrem hochentwickelte Produktionstechnologie. Darüber hinaus stellt das „Swiss-Roll-Verfahren“ sehr hohe Anforderungen an die Zähigkeit der Folie und muss zudem Probleme wie Batteriekurzschlüsse durch den Rollprozess vermeiden.

Biskuitrolle (Bildquelle: Eigenübersetzung des Autors)

Mikrobatterien verfügen über großes Potenzial und werden voraussichtlich in Bereichen wie dem Internet der Dinge und mikromedizinischen Implantaten eingesetzt.

Produziert von: China Science Expo

Autor: Sascha

Der Artikel gibt nur die Ansichten des Autors wieder und repräsentiert nicht die Position der China Science Expo

Dieser Artikel wurde zuerst in der China Science Expo (kepubolan) veröffentlicht.

Bitte geben Sie beim Nachdruck die Quelle des öffentlichen Kontos an