Energy Harvesting Integrierte Akkus

Konkrete Ausführung eines Lithium-Ionen-Akkus auf einem Silizium-Chip.
Konkrete Ausführung eines Lithium-Ionen-Akkus auf einem Silizium-Chip.

Elektronische Kleinstschaltungen stehen in zweierlei Hinsicht unter Druck: zum einen beim Bauvolumen, zum anderen bei den Kosten. Wesentliche Einsparungen sind erzielbar, wenn man den Akku direkt mit auf den Chip setzt. Dies ist jetzt gelungen.

Ob energieautarke Sensorknoten, RFID Tags, medizinische Implantate, aktive elektronische Preis- und Hinweisschilder oder auch „Wanzen“ – sie alle möchte man nicht gerne aus Batterien speisen, weil das Auswechseln umständlich ist. Praktischer ist Energy Harvesting; die Quellen sind meist Licht, Wärme oder mechanische Bewegungen, bei RFID ein Hochfrequenzfeld. Weil die so erzeugte Leistung sehr niedrig ist, typisch im µW-Bereich, wird sie meist über längere Zeit hinweg in einem geeigneten Speicher angesammelt, bis darin genügend Energie zusammengekommen ist, um z.B. die Messung irgendeines Umgebungsparameters auszuführen und dann ein kurzes Funktelegramm mit sehr viel höherer Leistung auszusenden. Dazwischen liegen lange Pausen, während derer die Leistungsaufnahme der Schaltung auf das absolute Minimum gesenkt ist. Als Speicher dienen entweder Kondensatoren oder Akkus. Erstere sind billiger und einfacher herzustellen, letztere haben eine wesentlich höhere Energiedichte, benötigen aber eine aufwendige Überwachung, d.h. Schutz gegen Überladung und Tiefentladung. Der Favorit unter den verschiedenen Arten der Lithium-Ionen-Akkus verwendet eine Katode aus LiCoO2, welches die höchste Energiedichte bezogen auf das Bauvolumen bietet. Die mittlere Entladespannung ist 3,7 V. Für hohe Zyklenzahl und lange Lebensdauer ist eine hermetische Abdichtung unabdingbar. Eindringende Feuchte wirkt zerstörend. Wichtig ist es hier, dem Speicher die optimale Größe zu geben. Die verbreitete Gewohnheit, ihn überzudimensionieren, dient zwar der Betriebssicherheit, führt aber zu unnötig großem Bauvolumen und überhöhten Kosten. Noch ein weiterer Punkt, der wenig beachtet wird: Akkus haben immer eine mehr oder weniger starke Selbstentladung, Lithium-Ionen-Typen bei Raumtemperatur größenordnungsmäßig 30 % pro Jahr. Bei einer Nennkapazität von z.B. 100 mAh entspricht das einem ständig fließenden Leckstrom von etwa 3 µA. Den muss das Energy-Harvesting-Element zusätzlich aufbringen – je größer der Akku, desto mehr. Deshalb ist es für das Gesamtsystem günstiger, seine Kapazität nur gerade eben so groß zu dimensionieren, wie hier wirklich gebraucht wird. Für viele Zwecke reichen z.B. schon einige µAh aus, zumal die Leistungsaufnahme von autarken elektrischen Systemen in den nächsten Jahren noch wesentlich sinken wird. Neben der Energiedichte ist auch die Leistungsdichte eine wichtige Größe. Denn die geerntete Energie wird zwar sehr langsam in den Speicher hineingeladen, aber sehr schnell wieder entnommen. Hier sind die üblichen Knopfzellen nicht sehr günstig, ihre Strombelastbarkeit ist für viele Anwendungen zu gering. Eine andere verbreitete Bauform sind Pouch-Zellen, flache Taschen. Das Problem bei beiden: Bei Verkleinerung der Kapazität nimmt das Gehäuse einen immer größeren Anteil des Gewichts bzw. des Volumens ein, d.h. die relative Energiedichte sinkt permanent. Bei Dicken unterhalb von 1 mm werden sie sehr ineffizient. Deshalb sind grundsätzlich andere Wege gefordert. Ausgiebig untersucht wurden Dünnschichtakkus. Die Schichten werden hier im Vakuum auf einem Träger abgeschieden. Der Elektrolyt ist fest und kann daher nicht auslaufen. Vorteilhaft ist die sehr niedrige Selbstentladung. Das Aufbringen der Elektrolytschicht ist allerdings kompliziert und treibt die Produktionskosten hoch. Die Kapazität hängt von der Menge des Elektrodenmaterials, also von der Dicke der Schichten ab. Die LiCoO2-Schicht kann in der Praxis aber nur sehr dünn gemacht werden. Sie quillt bei Einlagerung von Li-Ionen auf, dadurch können sich Risse bilden, die letztlich zur Zerstörung führen. Die sinnvolle Grenze liegt bei etwa 6 µm Stärke. Dadurch bleibt die Kapazität pro Fläche relativ klein, etwa 100 µAh/cm². Große Kapazitäten sind demnach nur über große Flächen zu realisieren. Wenn nur ein eng begrenztes Bauvolumen zur Verfügung steht, ist das ungünstig.