Micro Energy Storage & Smart Power

In der Arbeitsgruppe Mikroenergiesysteme des Fraunhofer IZM arbeiten Elektrochemiker, Werkstoffwissenschaftler und Physiker interdisziplinär mit den Elektronikingenieuren zusammen um angepasste Stromversorgungen für die am Institut entwickelten Mikrosysteme bereitzustellen und die vielfältigen technologischen Möglichkeiten im Bereich der Silizium-Wafer-Level-Integration des IZM zu nutzen, um extrem miniaturisierte Batterien und Wandler zu entwickeln. Entwicklungsschwerpunkte sind dabei integrierte Mikrobatterien und kleinste Solarmodule für energieautarke Sensoren und Datenlogger. Die Entwicklungen werden von numerischen Simulationen unterstützt. Die Gruppe beteiligt sich auch an Projekten zu Materialentwicklung für neue Batteriesysteme wie Li-Metallbatterien und Festkörperbatterien.

Kleinste Mikrobatterien (aufladbar und primär) mit kundenspezifischen Anforderungen können in Stückzahlen bis ca. 10.000 Stk. entwickelt und hergestellt werden.

Ein weiterer Schwerpunkt der Gruppe ist Entwicklung von Energiespeichern auf der Basis von Zink, die sowohl Wasserstoff als auch Elektrizität bedarfsgerecht erzeugen können und von hoher Relevanz für die Energiewende sind.

Außerdem bietet die Gruppe Test- und Beratungsservice für alle Arten elektrochemischer Speicher an. Es stehen Labors zur Herstellung und Charakterisierung von Batterie-Elektroden und Elektrolyten sowie eine Prototypenlinie zur Herstellung von Mikrobatterien zur Verfügung. Es wurden über 30 Patente im Themenfeld der Mikroenergiesysteme angemeldet.

Elektrochemische Mikrospeicher und Harvesting

Energieautarke Mikrosysteme und intelligente, autarke Sensorknoten werden in der Zukunft zu ganz neuen Anwendungen führen. Die dafür notwendige Energieversorgung muss ein integraler Bestandteil bereits in frühen Phasen der Entwicklung sein und macht das Zusammenwirken von Entwicklern, Produzenten und Endkunden notwendig.

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Mikrobatterien

Kundenspezifische Mikrobatterien

Überall dort, wo eine extreme Miniaturisierung elektronischer Systeme notwendig ist, kann die am Fraunhofer IZM entwickelte siliziumintegrierte Lithium Mikrobatterie eigesetzt werden. Typische Anwendungen sind  z.B. aktive RFID, Funksensoren oder medizinische Implantate (z.B. Mikro-Hörgeräte, Augendruck- Blutdrucksensoren) sein.

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Mikrobatterie für Medizintechnik

Im Rahmen einer Industriekooperation wurden kleinste Primärbatterien entwickelt mit nur 0.5 mm Breite und 0.25 mm Dicke. Die Bio-Kompatibilität wurde durch einen geeigneten Elektrolyten, ein Hermetischen Gehäuseverschluss mittels Niedrigtemperatur-Metallbond sowie Titanbeschichtung erreicht. Die elektrochemische Stabilität wurde für eine Nutzungsdauer von 4 Jahren optimiert.

Der Vergleich mit dem 1-Cent-Stück zeigt, wie klein eine 8 mm lange, 0,5 mm breite und 0,25 mm hohe Mikrobatterie ist. Ihre Kapazität sind dennoch 40 µAh
© Fraunhofer IZM

Sens4Bee

Mithilfe verschiedener RFID-basierter Sensoren in Bienenstöcken und an Einzeltieren können Daten erhoben und das Bienenwohl analysiert werden.

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Biene mit Solar-Batterie-Mikromodul
© Fraunhofer IZM
Biene mit Solar-Batterie-Mikromodul

Wasserstoffspeicher

Zn-H2

Ausgehend von der Entwicklung von Mikrobrennstoffzellen für energieautarke Sensoren wurden galvanische Wasserstoffspeicher basierend auf Zink-Anoden entwickelt Dieses System wird im Rahmen des BMBF-Projekts Zn-H2 als aufladbares System weiterentwickelt und ist nun ein sehr interessanter Kandidat als kostengünstiger Energiespeicher im Rahmen der Energiewende. Kernstücke der Entwicklung ist die Dendriten-freie Zink-Abscheidung mittels elektronischer Überwachung und zyklenstabile, edelmetallfreie bi-stabile Katalysatoren, die bei jedem Zyklus zwischen Wasserstoff- und Sauerstofferzeugung (HER/OER) wechseln.

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Alterung von Lithium-Ionenbatterien

Prompt

Im Rahmen eines EU-Projekts(PROMPT) wurde ein Alterungs- und Prognoseprojekt für Lithiium-Ionenbatterien entwickelt. Neben den typischen Einflussgrößen wie Zyklenzahl, Entladetiefe und Temperatur wurde insbesondere der Einfluss der Höhe des Ladestroms untersucht.

MATFLEXEND

Das Fraunhofer IZM koordiniert das FP7 Projekt MATFLEXEND, in dem neue Flexible Mikrobatterien und Harvester entwickelt werden, die sich besonders gut zur Integration in tragbare Elektronik sowie in Chipkarten eignet. Entwicklungsschwerpunkte sind dabei der Einsatz von Nanomaterialien und druckbare Elektrolyte.

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Mikrobatterie-Linie

Die schwierigste Aufgabe bei der Herstellung von Mikrobatterien ist die Fertigung nahezu hermetisch dichter Gehäuse. Kleinste Mengen von Feuchtigkeit, die in die Batterie diffundieren, können sie zerstören. Aufgrund der Reaktivität des Lithiums muss der gesamte Assemblierungsprozess unter Reinstgasbedingungen in Argonboxen erfolgen. Kostengünstig ist die Technologie nur, wenn sehr viele Batterien gleichzeitig auf einem gemeinsamen Substrat hergestellt werden.

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Mikrobatterilabor - Abteilung R3S - Fraunhofer IZM
© Fraunhofer IZM
 

Flexible batteries for tomorrow’s applications

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Attainable energy density of micro-batteries

Publica

Veröffentlichungen

Hier finden Sie weiterführende Literatur zum Thema Micro Energy and Smart Power

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