Solid-State-Akkus Energiespeicher für Energy Harvesting

Neben den Primärzellen sind die verschiedenen Akkumulatoren und Kondensatoren die klassischen Energiespeicher für autark arbeitende elektronische Systeme. Insbesondere in Energy-Harvesting-Applikationen, bei denen meist nur geringe Energiemengen für die Zeit, in der nicht „geerntet“ werden kann, zur Verfügung gestellt werden müssen, eignen sich auch andere Energiespeicher, die wenig Platz beanspruchen und gegenüber den klassischen Energiespeichern einige weitere Vorteile aufweisen.

Zwei Akku-Technologien, die unter der Bezeichnung „Solid State Batteries“ firmieren, empfehlen sich für Einsatzzwecke, die bisher vorwiegend von den konventionellen Lithium-Ionen-Akkus abgedeckt wurden. Zum einen sind dies die „Thin Film Batteries“ (Thinergy) der Firma Infinite Pow-er Solutions (IPS) und zum anderen die als „EnerChips“ bezeichneten Typen der Firma Cymbet Corporation.

Die „Ultra Thin“-Batterie: Thinergy

Die Feststoffzellen von IPS (Bild 1), die auch als Micro-Energy Cells oder kurz MECs bezeichnet werden, beinhalten keine organischen Flüssigkeiten, keine Flüssig- oder Gel-Elektrolyte und generell keine Schwermetalle oder toxischen Chemikalien, sie können nicht auslaufen und auch nicht explodieren. Wie bei gewöhnlichen Lithium-Akkus besteht die positive Elektrode (Kathode) aus Lithium-Kobalt-Oxid (LiCoO2 ), und die Anode wird mit einem Lithium-legierten Material (kein Grafit) ausgeführt. Als Substrat (Cathode Current Collector) dient dabei eine spezielle Metallfolie, und als Elektrolyt wird ein Film aus Lithium-Phosphor-Oxinitrid (LiPON) eingesetzt, was zu einer äußerst geringen Selbstentladung der Zelle (2 % pro Jahr) führt.

Im Gegensatz zu klassischen Lithium-Akkus wird bei IPS kein prismatischer oder zylindrischer Zellaufbau realisiert, sondern es werden für die Herstellung ausschließlich Dünnschichtverfahren (Sputtern, Laserabtragung usw.) der Halbleitertechnologie eingesetzt. In insgesamt sieben Prozessschritten (inklusive Packaging und Testing) ist der Akku fertiggestellt, was sich als kostengünstiges Verfahren umsetzen lässt.

Eine Zelle hat die Größe von 2“ × 1“ (5,08 cm × 2,54 cm = 12,9 cm2) und ist als Double Layer ausgeführt, was zu einer spezifizierten Kapazität von 2,5 mAh/cm2 führt, wofür dann acht dieser Elementarzellen benötigt werden. Je nach gewünschter Kapazität werden mehrere Zellen kombiniert und auch als Stapel (maximal 10 Stück) aufgebaut. Von IPS wird momentan ein Akku propagiert, wie er für Smartphones eingesetzt werden kann, der über eine Kapazität von 1,4 Ah verfügt und einen maximalen Strom von 7 A liefern kann. Dieser Typ wird durch parallelgeschaltete, gestapelte Elementarzellen aufgebaut (Bild 2).

 Die Dicke einer Zelle beträgt 104 µm. Zwischen den gestapelten einzelnen Zellen wird Kupferfolie von 10 µm aufgebracht, die der elektrischen Verbindung der Zellen dient. Mit einer äußeren Ummantelung weist ein typischer Thinergy-Akku damit eine Dicke von lediglich 1,3 mm auf. Demnach kann er einfach auf der Rückseite einer Platine aufgebracht werden und eignet sich ebenfalls für Chipkarten-Applikationen (Smartcards).

Handhabung

Generell können diese Akkus aufgrund der modularen Kombination der einzelnen Zellen vom Hersteller in allen möglichen Formen gefertigt werden, und der Anwender kann die Thinergy-Akkus selbstverständlich nach Wunsch entsprechend zusammenschalten, so dass sich eine Vielzahl möglicher Einsatzbereiche ergibt. In bestimmten Grenzen lassen sich die Thinergy-Akkus auch biegen, sie sind im Umgang also recht unempfindlich, können allerdings durch elektrostatische Entladung (ESD; Electrostatic Discharge) zerstört werden.

Weil sich die Akkus in einem Foliengehäuse befinden, ist dies beim Bestücken besonders zu beachten. Das Gehäuse ist elektrisch isoliert, und die beiden herausgeführten Anschlüsse lassen sich leicht auf entsprechenden Flächen einer Platine festlöten. Die zulässige Betriebstemperatur beträgt -40 bis +85 °C. Bei einer Temperatur von über 150 °C wird der Akku zerstört, so dass er nicht in einem Reflow-Ofen verlötet werden darf.

Das Produktspektrum der Micro-Energy Cells reicht vom Typ MEC225, der eine Energie von maximal 1,8 Joule (Ws) speichern kann, bis zum Typ MEC202, der bis zu 32 Joule aufnimmt. Dies entspricht einer Ladung von 0,1 mAh bis hin zu 2,2 mAh und einem maximalen Strom von 7 mA bzw. 90 mA. Entsprechend ihrer Leistung weisen die MECs eine unterschiedliche Größe (Bild 3) auf. Die Ausgangsspannung (Ladeschlussspannung) liegt bei 4 V, wie es für Lithium-Zellen üblich ist, wobei die Ladezeit (auf 90 %) mit 15 Minuten angegeben wird.

Es werden eine Lebensdauer vom mindestens 15 Jahren und über 100.000 Ladezyklen spezifiziert. Daneben sind im Handel auch noch die Vorgängertypen aus der 100er-Serie (MEC125 bis MEC102) zu finden. Die wesentlichen Unterschiede zwischen der 200- und der 100-Serie bestehen darin, dass die älteren einen um ca. 20 % niedrigeren Innenwiderstand aufweisen (je nach Typ 200 Ω - 15 Ω) und die Anzahl der Ladezyklen nur mit >10.000 spezifiziert wird.

Ladeschaltung

Lithium-Akkus reagieren generell empfindlich auf eine falsche elektrische Ansteuerung, und falls die Spannung der Zelle aufgrund unsachgemäßer Entladung auf unter 2,1 V (Discharge Cutoff Voltage) absinkt, wird sie unwiederbringlich zerstört. Das Laden der Micro-Energy Cells erfolgt, wie es für Lithium-Akkus üblich ist, zunächst mit einem konstanten Strom (IU-Ladung), wofür bei den MECs mindestens 1 µA (max. Peak 10 mA) notwendig ist, woraufhin bei abnehmendem Ladestrom eine Konstantspannungsladung erfolgt. Unbedingt erforderlich ist eine Kontrolle der Ladeschlussspannung, die im Bereich von 4,1 V bis maximal 4,15 V liegen darf.

In der Praxis ergibt sich für Li-Ionen-Zellen mit geringer Kapazität, wie sie hier betrachtet werden, ein vereinfachtes Ladeverfahren. Jede Spannung, die höher liegt als die momentane der Zelle, sorgt quasi für einen Ladevorgang, was keine Beschädigung hervorruft, solange die Schlussspannungen durch die Ladeelektronik kontrolliert werden, was ggfs. zu einer Abschaltung führt. Zur Steuerung des Ladevorgangs von Lithium-Akkus und zur Versorgung der jeweiligen Applikation (Sensorknoten o.ä.) haben Firmen wie Linear Technology (LT4071), Maxim (MAX17710) oder Texas Instruments (BQ25505) spezielle Schaltkreise entwickelt, die auch für die MECs von Infinite Power Solutions eingesetzt werden können. Eine besonders einfache Schaltung ergibt sich mit dem LT4071 (Bild 4).

Die Solarzelle ist über eine Schottky-Diode, die als Schutzschaltung (Rückspeise-Schutz) gegenüber Vcc dient, an den „Battery Charger“-Schaltkreis LTC4071 angeschlossen, der mit Eingangsströmen im Bereich von 0,5 mA bis 50 mA arbeiten kann. Die Eingangsspannung gelangt an Vcc des Chip, wo ebenfalls die zu versorgende Schaltung (Sensorknoten o.ä.) anzuschließen ist.

Zur Temperaturmessung des Akkus kann ein dort anzubringender NTC verwendet werden. Hierfür ist im Chip eine entsprechende Auswerteschaltung (Pins NTC, NTCBIAS) untergebracht, so dass der Ladevorgang entsprechend gesteuert oder auch abgebrochen werden kann, falls die Akkutemperatur zu hoch wird. Da diese Funktion hier nicht genutzt wird, ist der Anschluss NTC deshalb ebenfalls an Vcc zu legen. Der Pegel an ADJ bestimmt die für den jeweilige Akku benötigte (Lade-) Spannung. Wird der ADJ-Pin an GND gelegt, sind 4,0 V, wird er an Vcc gelegt, sind 4,2 V eingestellt, und soll die Spannung, wie für die Thinergy-Akkus empfohlen, auf 4,1 V eingestellt werden, wird der Pin nicht angeschlossen. Über den Anschluss High Battery Monitor Output (HBO) ist es möglich, den Ladezustand zu ermitteln, der mit einem High-Pegel bei vollgeladenem Akku ausgewiesen wird.

Die zweite wichtige Akkuspannung ist die der maximal erlaubten Entladung (Entladeschlussspannung), was mit Hilfe des Pins „Low Battery Disconnect Select“ (LBSEL) bestimmt wird. Wird eine Spannung von 3,2 V als Minimum verlangt, wird der Pin auf GND gelegt, wie es für den Thinergy-Akku passend ist. Andernfalls (Pin auf Vcc) erfolgt eine Abschaltung des Akkus von der Last bei 2,7 V. Der Akku ist direkt mit dem Anschluss BAT des LTC4071 verbunden, der von Vcc, d.h. von der Solarzelle, gespeist wird. Wenn die Solarzelle keine Energie liefert, wird die Last ausschließlich vom Akku gespeist, bis die festgelegte Entladeschlussspannung erreicht ist, was im IC entsprechend geschaltet wird. Die Spannung für die Last (Ucc) ist in der angegebenen Schaltung nicht geregelt, so dass hier ggfs. noch ein geeigneter LDO nachzuschalten wäre.