Prozess- und Produktentwicklung

Mikrobatterien

© Fraunhofer IZM

Strukturen für koplanare Mikrobatterien

1.      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.

Parameter wie Form, Größe, Spannung, Kapazität und Leistung können an die Anforderungen der Anwendung angepasst werden.

Außerdem ist es für autarke Sensoren, die ihre Energie durch Energy-Harvesting aus der Umwelt gewinnen, wichtig, dass der Speicher nur so groß wie unbedingt notwendig ist, da der Sepbstentladungsstrom mit der Größe skaliert und vom Harvester kompensiert werden muss.

Die wichtigsten Parameter sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt:

Size [mm] 2x2 ... 2x12 ... 12x12
Thickness [mm] 0.5
Capacity [mAh/cm²] 0.5 ... 1.2
Energy [mWh/cm²] 2.5 ... 5
Mean discharge voltage [V] 2.5; 3.7
Max. discharge current [mA/cm²] 2 - 6

2. Materialentwicklung und Testung für Lithiumionenbatterien
Die Mikrobatterietechnologie des Fraunhofer IZM wird weiterentwickelt und zu einer Testplattform zur Materialforschung elektrochemischer Systeme ausgebaut. Durch Integration von Referenzelektroden und die flächenhafte Anordnung vieler Teststrukturen können gleichzeitig mehrere hundert Testzellen auf einem Substrat verkapselt und getestet werden. Programmierbare Volumendispenser werden verwendet, um kombinatorische Materialvariationen zu applizieren.

Damit wird es erstmalig möglich, High-Throughput Verfahren auf Zellebene einzusetzen. Aufgrund der großen Probenzahl können Degradationsmechanismen und Zykluslebensdauer detaillierter und statistisch abgesichert untersucht werden, z.B. durch simultane Tests bei unterschiedlichen Temperaturen und Stromdichten. Da die unterschiedlichen Einflussfaktoren und Degradationsmechanismen miteinander gekoppelt sind ist eine multifaktorielle Versuchsplanung notwendig, wie sie mit den Testzell-Arrays besonders günstig durchgeführt werden können.

Die Herstellung im Reinraum und das nur einmalige Verwenden jeder Zelle garantieren die Freiheit von Verunreinigungen. Batterielaminate werden in Standardaufnahmen wie Swagelok und EL-Cell getestet.

Weitere Bestandteile des Testkonzepts sind:

  • Standardisierte Testlayouts,
  • Eine einfache Einrichtung zur Montage von Elektroden und Gehäuseverschluss,
  • Eine Kontaktiereinrichtung sowie ein Multikanal- bzw. Multiplex-Testsystem zur elektrischen Charakterisierung.
  • Ein Datenbanksystem zur komfortablen Verwaltung und Auswertung der Array-Testprozeduren und Testdaten.

3. Testservice für Batterien und Akkumulatoren
Das Batterielabor arbeitet als unabhängiges Testzentrum für Batterien und Akkumulatoren. Es sind mehrere automatisiertes Test-Systeme (MACCOR, BASYTEC) mit mehr als 400 kalibrierten Kanälen sowie steuerbare Klimaschränke und PC-gesteuerte Einzelmessplätze vorhanden, mit denen eine Vielzahl von kundenspezifischen Tests durchgeführt werden können. Die Prüfung nach Normen ist möglich z.B.: IEC 509, IEC 21A 227, 228,230. 239,256, IEC35 1025, IEC 86-4, DIN, EN 60285, 60622, 60623, 61434, 60086, DIN IEC 61960. Auf der Grundlage von vergleichenden Tests kann eine Auswahl des richtigen Systems anhand des konkreten Lastprofils der Verbraucher und des Laderegimes getroffen werden.