Wissenschaftler*innen des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR), des Fraunhofer-Instituts All Silicon System Integration Dresden (ASSID), des Fraunhofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) in Berlin und der TU Bergakademie Freiberg arbeiten an einer neuartigen, direkt auf einem Siliciumwafer integrierbaren Festkörper-Lithium-Ionen-Batterie. Damit sollen kleinste elektronische Komponenten mit Strom versorgt und einige den Lithium-Ionen-Flüssigbatterien innewohnenden Nachteile beseitigt werden.
Das Institut für Experimentelle Physik der TU Bergakademie Freiberg wird mit seinen einschlägigen Kompetenzen bei röntgenanalytischen Methoden zum besseren Verständnis der chemophysikalischen Mechanismen an den Grenzflächen zum Elektrolyten beitragen.
„Sensorchips, Wearables oder medizinische Implantate der Zukunft, aber auch im Internet der Dinge eingebettete Geräte benötigen eine autonome und miniaturisierte Energieversorgung“, sagt Dr. Charaf Cherkouk, Leiter und Koordinator des Projekts vom Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung am HZDR. „Hinter unserem Projektkürzel FKLIB verbirgt sich eine neuartige, kosteneffiziente, direkt auf einem Siliciumwafer integrierte Festkörper-Lithium-Ionen-Batterie, an der wir mit unseren Partnern arbeiten.“
Bei ihrem Vorhaben setzen die Forschenden auf neuartige Kernkomponenten des Mikroakkus. Da ist zum einen eine Kupfer-Silicid-Anode mit dreidimensionaler Struktur, die besonders stabile Lade- und Entlade-Zyklen und im Vergleich zu herkömmlichen Mikrobatterien deutlich höhere Kapazitäten ermöglicht. Des Weiteren kommt ein Festkörperelektrolyt aus einem hybriden Keramik-Polymer zum Einsatz. „Damit adressieren wir gängige Probleme von Flüssigelektrolyten in herkömmlichen Lithium-Ionen-Flüssigbatterien, etwa ihre hohe Entflammbarkeit, die Gefährdung durch toxische Bestandteile und die geringe Temperaturbeständigkeit“, benennt Cherkouk eine Reihe von Vorteilen des Konzepts. Und es gibt weitere: Der Verzicht auf eine reine Lithium-Elektrode verhindert eine frühzeitige Ausbildung von Dendriten – bäumchenartige Strukturen, die als Folge von Kristallisationsprozessen an der Grenzfläche zum Elektrolyten entstehen und eine Leistungseinbuße des Elektrodenmaterials zur Folge haben. Darüber hinaus soll eine kobaltfreie Kathode aus Lithiumeisenphosphat eine frühzeitige Verringerung der Speicherkapazität verhindern.
Projektpartner mit maßgeschneidertem Know-how
Die beteiligten Forschungsgruppen vereinen bei FKLIB ihr jeweils sehr spezifisches Fachwissen. Da ist das HZDR-Team mit seiner Expertise beim Anodenmaterial: Im Vergleich zur herkömmlichen Graphitanode konnten die Forschenden in Vorarbeiten bereits zeigen, dass sich mit einer Kupfer-Silicid-Anode die Kapazität um das Fünffache steigern und die Energiedichte der Batteriezelle um 40 Prozent erhöhen lässt. Die sich in der Anode abwechselnden Nano-Lagen aus Silicium und Kupfer-Silicid haben sie bereits erfolgreich in Zusammenarbeit mit dem IZM in der beschriebenen Konfiguration demonstriert.
Das IZM-Team wiederum konnte Lithium-Ionen-Mikrobatterien mittels Silicium-Wafer-Technologien entwickeln und in Kleinserien für Industriekunden herstellen. Der Haken: in Hunderten dieser Mikrobatterien muss der Flüssigelektrolyt direkt auf dem Wafer eingefüllt werden – eine knifflige Arbeit. Deshalb ist für die Forschenden der Schritt zum Festkörperelektrolyten konsequent, denn diese weisen neben einer vergleichsweise einfacheren Handhabung sehr geringe Grenzflächenwiderstände und eine hohe Zyklenfestigkeit auf.
Von der Forschung in die Industrie
Die einzelnen Batterie-Bestandteile können die Teams vom HZDR und IZM in ihren Einrichtungen durch dort etablierte Technologien fertigen: mit Methoden der Dünnschichtabscheidung in Verbindung mit Dickschicht- und Drucktechniken sowie der Blitzlampenausheilung. Letztere ist der thematische Schwerpunkt des Helmholtz Innovation Labs „Blitzlab“ am HZDR, das sich als Schnittstelle zwischen Grundlagenforschung und Industrie begreift. „Die Nutzung der energie- und ressourcensparenden Blitzlampenausheilung für die Herstellung von Silicium-basierten Anoden ist ein weiteres Beispiel für einen gelungenen Technologietransfer zu industrienahen Anwendungen,“ freut sich Dr. Lars Rebohle, Leiter des Blitzlab.
Am Fraunhofer IZM-ASSID arbeiten die Forschenden hingegen an der Mikrostrukturierung mit Strukturgrößen von bis zu einem Mikrometer. Bei den verwendeten Materialien handelt es sich hierbei sowohl um Nichtleiter als auch um Metalle. Als Substrate dienen Silicium und Glas verschiedener Dicken bei Wafergrößen von 200 und 300 Millimetern. Das Institut verfügt über eine dem neusten Stand der Technik entsprechende Technologie für die 3D-Wafer-Level-Systemintegration. Diese Prozesslinie ist insbesondere auf eine fertigungsnahe und industriekompatible Entwicklung und Prozessierung ausgerichtet. Darüber hinaus hat das Team große Erfahrung bei der Vereinzelung selbst sehr empfindlicher Bauteile, eine Voraussetzung, um aus einem Wafer einzelne Bauelemente mit minimalen Verlusten zu gewinnen. Neben klassischen Sägeverfahren können die Batterien hier auch mittels laserbasierter Technologien und chemischer Methoden vereinzelt werden.
Für Cherkouk ist das Ziel klar umrissen: „Am Ende des Projekts soll der Demonstrator einer integrierten Chip-Batterie für Einsatzgebiete im Bereich integrierter Schaltkreise und Sensorsysteme stehen. Solche Systeme sind für ihre Energieversorgung bisher auf Add-On-Chip-Lösungen angewiesen. Für eine spätere Vermarktung werden Partnerschaften mit großen Batterieherstellern sowie Produzenten von Sensorsystemen und Komponenten für die Medizintechnik angestrebt.“
Das Projekt wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Programm „Validierung des technologischen und gesellschaftlichen Innovationspotentials wissenschaftlicher Forschung – VIP+“ gefördert. Eine Besonderheit dieses Programms ist, dass nicht nur passende Projektpartner zueinander finden, sondern darüber hinaus auch noch hochkarätige Mentoren hinzustoßen. Im Falle von FKLIB ist das Dr. Martin Krebs, langjähriger Entwickler in der VARTA Microbattery GmbH. Er ist das Bindeglied zwischen dem Projektkonsortium und dem Industriebeirat, der aus am Projekt interessierten Industriepartnern besteht. Aktuell sind bereits Infineon, Varta und die sächsische Litronik Batterietechnologie GmbH Mitglieder des Industriebeirats und Unterstützer des Vorhabens.