Speicher im Vergleich Wiederaufladbare Mikro-Energiespeicher

Im Prinzip ist alles möglich, aber ohne Energie geht nichts. Auf diesen einfachen Nenner lässt sich die moderne Technik bringen. Daher sind in den letzten Jahren neue Technologien für die Speicherung von Energie erschienen. Dieser Artikel untersucht einige der üblichen wiederaufladbaren Energiespeicher, die heute für Anwendungen vorkommen, bei denen kabellose Geräte über einen längeren Zeitraum oder die Betriebslebensdauer der Anwendung wartungsfrei betrieben werden sollen.

Bei den Energiespeichern hat es in letzter Zeit einige Neuerungen gegeben. Diese neuen Technologien reichen von sehr großen Speichern, zum Beispiel den im Stromnetz eingesetzten Vanadium-Redox-Batterien, bis zu sehr kleinen Speichern, etwa den Dünnschichtbatterien oder Mikroenergiezellen, die heute in kabellosen Sensoren und anderen Systemen eingesetzt werden.

Beispiele für Letztere sind unter anderem Sicherheitssensoren, tief integrierte Überwachungssysteme für Maschinen und implantierbare medizinische Geräte.

Bild 1 hilft auf effiziente Art bei der Wahl zwischen primären und wiederaufladbaren Energiequellen. Primärbatterien haben eine relativ beschränkte Betriebslebensdauer. Selbst bei schwachen Ladeströmen senkt ihre begrenzte Speicherdauer den Zeitraum bis zu einem notwendigen Austausch auf sechs Monate bis zehn Jahre ab. Bei Anwendungen, bei denen die Energiequelle leicht ausgetauscht werden kann, stellt dies kein Problem dar (abgesehen von dem sehr realen Problem, diese Batterien zur Hand zu haben).

Ist bei den Anwendungen jedoch dieser Austausch schwierig oder teuer - oder beides -, so ist eine wiederaufladbare Energiequelle nötig. Sollte ein Gerät nicht zugänglich sein oder nicht verkabelt werden können, so muss die aufzuladende Energie der vorhandenen Umgebungsenergie entnommen werden (Energy Harvesting). Daher ist die Möglichkeit, erfasste Umgebungsenergie tatsächlich und effizient aufzunehmen, bei der Auswahl des Energiespeichers von außerordentlicher Bedeutung.

Verschiedene Anwendungen haben Zugriff auf unterschiedliche Quellen von Umgebungsenergie. Im Folgenden sind die ungefähren Energiebereiche jeder der vier verfügbaren Energiequellen aufgelistet (in absteigender Reihenfolge der verfügbaren Energie):

  • Thermische Energie: 25 µW/cm2 (menschlich) bis 10000 µW/cm2 (industriell);
  • Photovoltaik: 10 µW/cm2 (innerhalb geschlossener Räume) bis 10000 µW/cm2 (außerhalb geschlossener Räume),
  • Vibration/Bewegung: 4 µW/cm2 (menschlich) bis 100 µW/cm2 (industriell) sowie
  • HF-Strahlung: 0,01 µW/cm2 bei 2,4 GHz (WLAN) bis 0,1 µW/cm2 bei 900 MHz (GSM).

Zu den drei verschiedenen Technologien, die durch diese Umgebungsenergiequellen aufladbar sind gehören konventionell wiederaufladbare Batterien, Festkörper-Dünnschichtbatterien oder Mikroenergiezellen sowie Doppelschichtkondensatoren (EDLC) oder »Superkondensatoren«.

Tabelle 1 bietet einen zusammenfassenden Vergleich dieser drei Alternativen. Die nachstehende Diskussion bewertet jede Alternative umfassender. Im folgenden Vergleich sollte unbedingt berücksichtigt werden, dass diese Alternativen sich nicht gegenseitig ausschließen müssen. Es ist möglich, diese Technologien in hybriden Konzeptionen gemeinsam zu verwenden. Eine beliebte Konstruktion kombiniert eine Mikroenergiezelle mit einem Superkondensator, um sowohl den Energietransfer als auch die maximale Stromstärke zu verbessern.

Eigenschaft
Wiederaufladbare
Knopfzelle
Superkondensator
Dünnschicht
-batterie
Kapazität
1 mAh bis 100 mAh
0,1 F bis 1500 F
12 µAh bis 2,5 mAh
maximaler Dauerstrom5 µA bis 40 mA10 µA bis 200 A300 µA bis 100 mA
Betriebstemperaturbereich-20 °C bis +60 °C-40 °C bis +85 °C-40 °C bis +85 °C
Größe4 mm bis 30 mm (D) x 1,6 mm bis 7,7 mm (H)10 mm x 20 mm x 2 mm8 mm x 8 mm bis 25 mm x 42 mm
Ladezyklen (bis 80% der ursprünglichen Kapazität bei 80% DOD)500 bis 1000>100 000>10 000
Einzelpreis (hohe Stückzahlen)1 US-Dollar2 US-Dollar bis 10 US-Dollar1 US-Dollar bis 5 US-Dollar
Selbstentladung50% pro Jahr>90% in sechs bis sieben Tagen1% pro Jahr
minimaler Ladestrom
>10 µA
>35 µA
<100 nA
Tabelle 1: Wiederaufladbare Batterien, »Superkondensatoren« und Festkörper-Dünnschichtbatterien oder Mikroenergiezellen im Vergleich