3D-Batterie

Ein Akku für das Knopfloch

Von Manfred Lindinger
 - 08:00

Die Miniaturisierungswelle in der Halbleiterelektronik lässt die Bauteile und damit die Geräte fortwährend schrumpfen. Oft bleibt nur wenig Platz für die Batterien, die noch immer vergleichsweise klobig daherkommen. Doch damit könnte es bald eine Ende haben, denn auch die wiederaufladbaren Stromspeicher beginnen zu schrumpfen. Forscher von der University of California in Los Angeles haben einen kompakten Lithium-Ionen-Akku hergestellt, der nur noch wenige Millimeter misst und dennoch eine passable Speicherkapazität aufweist. Zum Bau der Stromquelle haben Bruce Dunn und seine Kollegen ein in der Halbleiterfertigung gebräuchliches Ätzverfahren genutzt.

Das Besondere an der Stromquelle ist ihre dreidimensionale dichte Bauweise. Normalerweise sind Lithium-Ionen-Batterien in Form dünner Schichten aufgebaut. Der Elektrolyt ist wie bei einem Sandwich zwischen zwei dünnen Elektroden eingebettet. In der Praxis werden meist mehrere solcher „Stacks“ übereinandergestapelt, etwa um die Kapazität zu steigern und höhere Betriebsspannungen zu erzeugen. Größe und Design eines fertigen Akkus sind dadurch aber meist vorgegeben.

Winzige Siliziumsäulen als Anode

3D-Akkus, wie sie die Forscher um Dunn favorisieren, haben den Vorteil, dass sie sich in beliebiger Weise stapeln lassen. Die Anode der Batterie aus Los Angeles besteht aus winzigen, regelmäßig angeordneten Siliziumsäulen, die mit einer dünnen Elektrolytschicht überzogen sind.

Die 400 Nanometer hohen und 100 Nanometer dünnen Säulen wurden aus einem Siliziumwafer heraus geätzt. Um die Leitfähigkeit der Anode zu erhöhen, haben die Forscher den Halbleiter zuvor mit Boratomen dotiert. Als Kathodenmaterial verwenden die Forscher um Dunn eine Standardmischung aus Graphit und einem Lithium-Metall-Oxid, die sie in die Bereiche zwischen den Siliziumsäulen füllten.

Wie Bruce Dunn und seine Kollegen in der Zeitschrift „Joule“ berichten, weist der Prototyp mit 5,2 Milliwattstunden pro Quadratzentimeter im Vergleich zu anderen existierenden 3D-Dünnschicht-Akkus die bisher höchste gemessene Energiedichte auf. Der Wert ist klein im Vergleich zu den großen Kraftpaketen. Die Grundfläche des Winzlings, vorgegeben durch die Siliziumanode, beträgt jedoch nur knapp 0,1 Quadratzentimeter. Handelsübliche Lithium-Ionen Batterien sind um ein Vielfaches größer. Hundert Lade-und-Entladezyklen würde er bereits ohne Schwierigkeit überstehen können, ohne dass die Kapazität nachlasse. Mehrere tausend sind das Ziel. Nun bedarf es weiterer technischer Verbesserungen, um 3D-Batterien tatsächlich für die Energieversorgung etwa von Kleinstgeräten und Sensoren nutzen zu können.

Quelle: F.A.Z.
Manfred Lindinger
Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.
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