TDK/Epcos Akkus in Vielschichttechnologie

TDK stellt mit dem im Epcos-Technologie-Center Deutschlandsberg entwickelten „CeraCharge“ den weltweit ersten Solid-State-Akku in SMD-Technologie vor. Auf den Markt kommen wird das Produkt in Form erster Muster noch im Dezember. Im Frühjahr 2018 startet dann die Massenproduktion.

Je nach Anforderung lassen sich die neuartigen Mini-Akkus etliche Dutzend bis 1000 Mal wieder aufladen. Bei einer Nennspannung von 1,4 V beträgt ihre Kapazität 100 µAh. Kurzfristig sind Ströme bis einige mA aus den Akkus zu entnehmen.

»Das IoT mit all seinen Facetten wird künftig milliardenfach spezielle Stromversorgungen brauchen, die auf den geringen Leistungsbedarf neuer Ultra-Low-Power-Halbleiter und Sensoren zugeschnitten sind«, begründet Markus Puff, Head of Corporate R&D der Piezo & Protection Devices Business Group von TDK, die Entwicklung des neuen Batterietyps. Die Anforderungen an die elektrischen Speichermedien sind dabei: geringe Baugröße, Wiederaufladbarkeit, Eigensicherheit, einfache Bestückbarkeit, niedrige Kosten und hohe Lebensdauer.

Mit den gängigen Technologien lassen sich diese Forderungen bislang nicht in einem Produkt realisieren. So weisen Thin-Film-Batterien zwar eine ähnlich geringe Bauhöhe wie der CeraCharge auf, jedoch sind die Prozesskosten im Vergleich zum CeraCharge hoch, und der kleinste realisierbare Footprint liegt derzeit bei 4 mm2, während das TDK-Produkt durch 0,5 mm2 besticht. Pouch-Zellen müssen wasserdicht sein, um das Entstehen von Schwefelwasserstoff zu verhindern, und Thin-Film-Batterien können wegen ihres Lithium-Metall-Anteils von Transportrestriktionen betroffen sein. Solche Beschränkungen gibt es für CeraCharge nicht. Als Elektrolyt nutzt CeraCharge Lithium-basiertes Keramikoxid. Auch die innere Elektrode ist aus einem Lithium-basierten Keramikoxid hergestellt. Als Ladungssammler wird Kupfer verwendet. In der aktuellen Form beträgt der Innenwiderstand des CeraCharge 200 Ohm.

»Unser Ziel ist es, hier in Zukunft in den mOhm-Bereich vorzustoßen«, erläutert Puff. Zur Erhöhung von Kapazität und Spannung lassen sich einzelne CeraChrage-Chips (4,5 x 3,2 x 1,1 mm) beliebig in Serie und parallel schalten. Dadurch eröffnet sich ein breites Spektrum von Anwendungen. So ist beispielsweise ein „CeraCharge 1812“ in der Lage, als Backup-Batterie in einer Real-Time-Clock für 17 Tage eine MCU zu versorgen. Wie Puff erläutert, ist der „CeraCharge 1812“ der erste Schritt in ein neues Anwendungsfeld. Aktuell wird in Deutschlandsberg (Österreich) bereits an einer Version in Baugröße 0603 gearbeitet, »die natürlich eine deutlich niedrigere Kapazität als das jetzt vorgestellt Modell haben wird«. Beide Modelle verfügen aber über den gleichen, weiten Betriebstemperaturbereich von –20 bis +80 °C.

Puff weist auch darauf hin, dass die Vielschichttechnik auch die Realisierung ganz anderer, beispielsweise dünner, flächiger Batterien erlauben würde. Zu den ersten Applikationen der neuen Akkus scheinen auch Anwendungen zu gehören, die in Richtung Smart Clothes gehen.