Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Huckepack-Batterie für Mikrochips: TU Graz-Forscher realisieren neues Batteriekonzept

17.08.2016

Elektrochemikern der TU Graz ist es gelungen, einkristallines Halbleitersilizium als aktive Speicherelektrode in Lithium-Batterien einzusetzen. Dies ermöglicht die integrierte Energieversorgung von Mikrochips mit einer wieder aufladbaren Batterie.

Elektronische Kleingeräte wie Handys, Tablets oder Notebooks sind heute unerlässliche Begleiter durch den Alltag. Im Inneren dieser Geräte überwachen, steuern und regeln integrierte Schaltkreise auf Silizium-Chips die mannigfaltigsten Prozesse.


Die Mikrobatterie ist nur wenige Millimeter groß und erreicht Leistungsstärken, die mit den besten heutzutage erhältlichen Li-Ionenbatteriesystemen konkurrieren können

© Lunghammer – TU Graz

Klare Tendenz in der Mikroelektronik: noch kleiner, mobiler und vielfältiger. Hier liegt die Bedeutung der nun in Scientific Reports veröffentlichten Forschungsergebnisse des Forschungsteams rund um Michael Sternad und Martin Wilkening vom Christian Doppler-Labor für Lithium-Batterien am Institut für Chemische Technologie von Materialien der TU Graz: die on-board Energieversorgung eines Mikrochips könnte das Anwendungsspektrum der Mikroelektronik deutlich erweitern.

Mini-Batterie für Mikrochips

Als Ergebnis mehrjähriger Grundlagenforschung am CD-Labor für Lithium-Batterien an der TU Graz konnte nun gezeigt werden, wie einkristallines Silizium, aus dem der Mikrochip besteht, direkt als Batterieelektrode (Anode) genutzt werden kann. Damit beherbergt der Mikrochip nicht nur die Elektronik, sondern ist gleichzeitig der wesentliche Teil einer Mini-Batterie, die elektrische Energie z.B. zum Senden und Empfangen von Informationen bereitstellt.

„Normalerweise kann man Einkristall-Silizium nicht ohne weiteres als Batteriekomponente verwenden, da es sich bei der Umsetzung mit Lithium stark ausdehnt, Risse bekommt und allmählich zerstört wird“ erklärt Michael Sternad, Mitarbeiter am Christian Doppler-Labor für Lithium-Batterien an der TU Graz. „Wir nutzen direkt das dotierte Halbleitersilizium des Chips. Dazu wird es jedoch vorher gezielt unter Kenntnis der Kristallachsen mikrostrukturiert und dann elektrochemisch in besonderer Weise aktiviert,“ erläutert Michael Sternad.

Leistungsstark und kostengünstig

Neben der enormen Speicherkapazität (mehr als 1000 mAh/g) und einer hohen Stromeffizienz (Coulomb Effizienz >98.8 %) der Siliziumelektrode, war für die Forschenden insbesondere die Tatsache überraschend, dass die kleinen Silizium-Türme, aus denen die Anode der Lithium-Batterie besteht, mehr als 100 volle Lade- und Entladezyklen bei nur wenigen Prozent Kapazitätsverlust überstehen.

Damit übertrifft die elektrochemische Lebensdauer der Mikrobatterie jedenfalls die durchschnittliche Einsatzdauer eines Sensors oder einer Sonde. Martin Wilkening, Leiter des Instituts für Chemische Technologie von Materialien sowie des CD-Labors für Lithium-Batterien zeigt sich begeistert von diesem Mini-Kraftwerk:

„Die Mikrobatterie ist nur wenige Millimeter groß und erreicht Leistungsstärken, die mit den besten heutzutage erhältlichen Li-Ionenbatteriesystemen konkurrieren können. Zudem könnten auf einem Halbleiter-Si-Wafer mehrere tausend Zellen parallelisiert hergestellt werden, so dass Stückpreise von wenigen Cent erreichbar wären.“

Christian Doppler-Labor für Lithium-Batterien: Alterungseffekte, Technologie und Neue Materialien

Das Christian Doppler-Labor für Lithium-Batterien am Institut für Chemische Technologie von Materialien der TU Graz wurde 2012 gegründet und widmet sich unter anderem neuen Konzepten für Lithium-Batterien. Neben Si-Mikrobatterien werden insbesondere Li-Festkörperbatterien untersucht. Unternehmenspartner des CD-Labors sind AVL List GmbH und Infineon Technologies Austria AG.

Die Forschungsergebnisse wurden in Scientific Reports veröffentlicht:
M. Sternad, M. Forster, M. Wilkening, The microstructure matters: breaking down the barriers with single crystalline silicon as negative electrode in Li-ion batteries, Sci. Rep. 6 (2016) 31712. | DOI: 10.1038/srep31712

Kontakt:
Michael STERNAD
Dipl.-Ing. Dr.techn.
TU Graz
Institut für Chemische Technologie von Materialien
CD-Labor für Lithium-Batterien - Alterungseffekte, Technologie und Neue Materialien
Mobil: +43 664 463 2727 | Tel.: +43 316 873 32320
michael@sternad.com

Martin WILKENING
Univ.-Prof. Dr.rer.nat.
TU Graz
Institut für Chemische Technologie von Materialien
CD-Labor für Lithium-Batterien - Alterungseffekte, Technologie und Neue Materialien
Mobil: +43 664 88796957 | Tel.: +43 316 873 32330
wilkening@tugraz.at

Weitere Informationen:

http://www.nature.com/articles/srep31712
http://www.lithium.tugraz.at
http://bit.ly/2bxBBOC

Mag. Barbara Gigler | Technische Universität Graz

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht Forscher entwickeln Roboterarme biegsam wie Elefantenrüssel: für große Greifer und kleine Endoskope
18.03.2019 | Universität des Saarlandes

nachricht Photovoltaik-Anlagen mit Drohne überwachen
18.03.2019 | Hochschule Coburg

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Energie und Elektrotechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Selbstheilender Lack aus Maisstärke lässt kleine Kratzer durch Wärme verschwinden

Ein neuer Lack aus Maisstärke ist wegen der besonderen Anordnung seiner Moleküle in der Lage, durch Wärme kleine Kratzer von selbst zu reparieren: Die Vernetzung über ringförmige Moleküle macht das Material beweglich, sodass es die Kratzer ausgleicht und diese wieder verschwinden.

Oberflächliche Mikrokratzer in der Autokarosserie oder auf anderen Hochglanzoberflächen sind harmlos, aber ärgerlich. Gerade im Luxussegment zeichnen sich...

Im Focus: Self-healing coating made of corn starch makes small scratches disappear through heat

Due to the special arrangement of its molecules, a new coating made of corn starch is able to repair small scratches by itself through heat: The cross-linking via ring-shaped molecules makes the material mobile, so that it compensates for the scratches and these disappear again.

Superficial micro-scratches on the car body or on other high-gloss surfaces are harmless, but annoying. Especially in the luxury segment such surfaces are...

Im Focus: Kartographie eines fernen Sterns

Der am Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) gefertigte Spektrograph PEPSI zeigt erste Aufnahmen der Struktur des Magnetfelds auf der Oberfläche eines weit entfernten Sterns. Mittels innovativer Verfahren lassen sich damit neue Erkenntnisse über die Vorgänge auf der Sternoberfläche gewinnen. Die Ergebnisse stellte ein Wissenschaftlerteam nun in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics vor.

Selbst mit den größten Teleskopen erscheinen die Oberflächen entfernter Sterne normalerweise nur als Lichtpunkte. Eine detaillierte Auflösung wird erst mittels...

Im Focus: Stellar cartography

The Potsdam Echelle Polarimetric and Spectroscopic Instrument (PEPSI) at the Large Binocular Telescope (LBT) in Arizona released its first image of the surface magnetic field of another star. In a paper in the European journal Astronomy & Astrophysics, the PEPSI team presents a Zeeman- Doppler-Image of the surface of the magnetically active star II Pegasi.

A special technique allows astronomers to resolve the surfaces of faraway stars. Those are otherwise only seen as point sources, even in the largest telescopes...

Im Focus: Heading towards a tsunami of light

Researchers at Chalmers University of Technology and the University of Gothenburg, Sweden, have proposed a way to create a completely new source of radiation. Ultra-intense light pulses consist of the motion of a single wave and can be described as a tsunami of light. The strong wave can be used to study interactions between matter and light in a unique way. Their research is now published in the scientific journal Physical Review Letters.

"This source of radiation lets us look at reality through a new angle - it is like twisting a mirror and discovering something completely different," says...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Teilchenphysik trifft Didaktik und künstliche Intelligenz in Aachen

20.03.2019 | Veranstaltungen

Künstliche Intelligenz: Ausprobieren und diskutieren

19.03.2019 | Veranstaltungen

Wissenschaftliche Tagung zur Gesundheit von Meeressäugern

18.03.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Teilchenphysik trifft Didaktik und künstliche Intelligenz in Aachen

20.03.2019 | Veranstaltungsnachrichten

Mit dem Forschungsflugzeug ins ewige Eis - Meteorologen starten Messkampagne

20.03.2019 | Geowissenschaften

Optischer Sensor soll Pflanzenzüchtung beschleunigen

20.03.2019 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics