Gedruckte Batterien Strom aus 0,3 mm Bauhöhe

Batterien, die gedruckte elektronische Schaltungen mit Strom versorgen, sollten so flach sein wie die Schaltung selbst und möglichst gleich mit auf dieselbe Folie gedruckt ­werden. Diese Technik kommt nun allmählich zur Reife. Interessante Anwendungen ­eröffnen sich vor allem in der Medizintechnik.

Seitdem von Rolle zu Rolle gedruckte Elektronik ein immer schnelleres Wachstum verzeichnet, wird von den speisenden Batterien verlangt, dass sie ebenso ultraflach, leicht und flexibel sind wie die Schaltungen selbst. Zahlreiche Forschungs- und Entwicklungstätigkeiten wurden daraufhin weltweit gestartet. Einige Firmen haben bereits mit der Produktion begonnen.

Bei dem Wettlauf geht es nicht so sehr um höchste Energiedichte, sondern vielmehr um die größtmögliche Flexibilität. Und bezüglich der Flexibilität sind verschiedene Kategorien zu unterscheiden:

  • Nur einmal biegen und dann mit dieser Krümmung fest einbauen, zum Beispiel weil ein gewölbtes Gehäuse es so erfordert
  • Häufig mit großem Krümmungsra­dius hin- und herbiegen, z. B. einige tausendmal wie bei einer Kreditkarte
  • Sehr häufig (bis zu millionenfach) mit kleinem Krümmungsradius biegen, zum Beispiel um einen Bleistift wickeln; denkbar ist das mit Papier oder mit dünnen Plastikfolien.

Die Folgen des Biegens

In der letztgenannten Kategorie setzt eine Entwicklung aus England jetzt neue Maßstäbe. Bei der Firma Zinergy, die 2015 aus der Universität Cambridge ausgegründet würde und auch dort ansässig ist, hat man eingehend untersucht, was in den verschiedenen Schichten passiert, wenn sie häufig hin- und hergebogen oder geknickt werden: Entstehen dabei schädliche irreversible Mikrorisse oder verformt sich das Material nur rein elastisch? Wie wirken sich Änderungen der mechanischen Struktur auf die elektrischen Eigenschaften aus? All dies ist jetzt detailliert bekannt.

Die entscheidende Größe für die Flexibilität ist die Dicke. Je dünner das Substrat und die Schichten, desto elastischer ist naturgemäß die ganze Batterie. Aber je weniger aktives Material sich in den Schichten befindet, desto kleiner wird zwangsläufig die Kapazität der Zelle. Es gilt also, zwischen den beiden konkurrierenden Parametern den bestmöglichen Kompromiss zu finden.

Das Substrat – ein Polymer oder eine Metallfolie – bereitet die geringsten Probleme. Eine größere Herausforderung sind hingegen die aktiven Schichten. Sie bestehen aus Pulvermaterial und Bindemitteln, die die Partikel zusammenhalten. Bei Zusammensetzung, Korngrößen usw. ergibt sich ein weites Feld an Gestaltungsmöglichkeiten.

Eine wichtige elektrische Kenngröße der fertigen Zelle ist ihr Innenwiderstand. Er bestimmt, wieviel Strom der Zelle entnommen werden kann. Der Innenwiderstand hängt davon ab, wie gut der Kontakt ist, den die verschiedenen übereinander liegenden Schichten miteinander haben.

Dies ist vor allem bei der Versorgung von Schaltungen von Interesse, die kurzzeitig hohe Ströme aufnehmen – etwa bei Bluetooth-Sendern, die z. B. einen Dauerstrom von 0,1 mA aufweisen sowie alle paar Sekunden zusätzliche Pulsströme von 1 mA. Ist der Innenwiderstand hoch, dann führt das jedes Mal zu einem Spannungseinbruch. In normalen Schaltungen würde man das mit einem großen Elko abpuffern, aber in flachen gedruckten ist das nicht möglich.

In umfangreichen Versuchen haben sich die Cambridger Forscher an die optimale Lösung herangetastet. Ihre besten Zellen geben jetzt ohne starken Spannungseinbruch bis zu 5 mA ab.

Die verwendete Zellchemie

Die zunächst verwendete Zellchemie ist das übliche System Zink-Mangandioxid mit alkalischem Elektrolyt, in der Entsorgung wenig problematisch. Es werden meist mehrere Zellen auf einem Substrat in Serie geschaltet, sehr preiswert hergestellt mittels Siebdruck. Die typischen Kenndaten einer wenige Quadratzentimeter großen Zelle (Bild 1, alle Bilder des Artikels in der Bildergalerie am Ende) lauten:

  • Dicke: minimal 0,3 mm
  • Kapazität: 2 bis 2,5 mAh/cm²
  • Masse: 1 g
  • Nennspannung: 1,5 V
  • Innenwiderstand: 85 Ω

Eine erste Laborproduktion ist im März 2016 angelaufen, für Kleinserien von einigen Hundert bis einigen Tausend. Eine Pilotlinie für höhere Stückzahlen ist im Aufbau.

Die möglichen Anwendungen sind breit gestreut: Sie reichen von intelligenten Verpackungen für Lebensmittel zum Frischenachweis, über elektronische Glückwunschkarten mit Musik oder LEDs (Bild 2), Smartcards mit Display, aktive RFID Tags, Elektronik in Textilien bis hin zu Pflastern für kosmetische (Bild 3) und medizinische Zwecke (Bild 4). Solche Pflaster passen sich an die Haut an, messen diverse Vitalparameter und zeichnen deren Verlauf auf – etwa die Körpertemperatur (aufklebbares Fieberther­mometer TempTraq), den Glukosegehalt des Blutes (Patch4Life von CITC) oder auch das Hinfallen eines Patienten.

Außer den genannten Primärbatterien hat Zinergy auch wiederaufladbare Ver­sionen in der Entwicklung, zunächst auf der Basis von Zink. Die Kunst dabei ist, beim Laden das Wachsen von Dendriten zu verhindern, die die Zelle kurzschließen könnten. Ein weiteres Forschungsfeld sind Superkondensatoren, deren Herstellungsverfahren große Ähnlichkeiten mit denen der Batterien haben, nur dass andere Materialien verwendet werden.

Noch nicht endgültig festgelegt ist das Geschäftsmodell. Möglich ist sowohl, dass das Unternehmen zum Batteriehersteller wird, als auch dass es Lizenzen an andere Unternehmen vergeben wird, die die Batterien dann zusammen mit ihren Schaltungen drucken. Das wird davon abhängen, was die Kunden wünschen. Vorerst will Zinergy für beide Optionen offen bleiben.

Bilder: 4

Die Bilder des Artikels im Überblick

Gedruckte Batterien