University of Illinois Urbana-Champaign

Leistungsstarke Mikrobatterien

1. März 2023, 11:30 Uhr | Ralf Higgelke

Um Mikroroboter oder Implantate zu speisen, sind Minibatterien nötig. Doch je kleiner die Batterien, desto stärker nehmen sowohl die Energie- als auch die Leistungsdichte ab. Ein Team der University of Illinois Urbana-Champaign hat einen Weg gefunden, das zu ändern.

Seit langem ist die Umsetzung der elektrochemischen Leistungsdaten großformatiger Batterien in mikroskalige Energiequellen eine technologische Herausforderung. Dies schränkt die Möglichkeiten von Batterien ein, Kleinstgeräte, Mikroroboter und implantierbare medizinische Geräte zu speisen. Ein Team der University of Illinois Urbana-Champaign unter der Leitung von Prof. Paul Braun (Grainger Distinguished Chair in Engineering, Materials Research Laboratory) hat nun eine Mikrobatterie mit einer Spannung von 9 V entwickelt, die sich nach eigenen Angaben durch eine bisher unerreichte Energie- und Leistungsdichte auszeichnet.

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Dabei bilden die Stromkollektoren beider Batteriepole einen Teil des Gehäuses selbst und sind keine separate Einheit. Dadurch erreicht die Batteriezelle ein Volumen von weniger als 0,165 cm³, und der Gewichtsanteil des Gehäuses liegt bei 10,2 Prozent. Darüber hinaus stapelten die Forschenden die Elektrodenzellen, um die Spannungen der einzelnen Zellen zu addierten, um deren Betriebsspannung zu erhöhen.

Änderung an den Elektroden

Normalerweise bestehen Elektroden zu fast 40 Volumenprozent aus Polymeren und Kohlenstoff-Additiven – also elektrisch inaktiven Materialien. Bekommt man diese los, lässt sich ebenfalls die Energiedichte in Mikrobatterien erhöhen. Daher hat die Arbeitsgruppe mithilfe einer direkten galvanischen Abscheidung von LiCoO₂ bei mittleren Temperaturen Elektroden hergestellt, die keine Polymere und Kohlenstoff-Additive mehr enthalten. Dazu nutzte das Team das DirectPlate-Verfahren von Xerion Advanced Battery, ein Unternehmen, das aus der Forschungsgruppe von Professor Braun hervorgegangen ist. Dadurch steigt die volumetrische Energiedichte dieser Elektroden im Vergleich zu handelsüblichen Lösungen.

Einsatzbereiche von Mikrorobotern

Ein wichtiger Anwendungsbereich dieser Mikrobatterien ist der Betrieb von Mikrorobotern in der Größe von Insekten. Diese können bei Naturkatastrophen, Such- und Rettungseinsätzen und in Gefahrenbereichen, zu denen Menschen nicht Zutritt haben, wertvolle Informationen sammeln.

Die hohe Spannung ist wichtig, um die elektrische Nutzlast zu reduzieren, die ein Mikroroboter tragen muss. Denn mit den 9 V lassen sich Motoren direkt speisen und die Energieverluste verringern, die auftreten, wenn die Spannung auf Hunderte oder Tausende von Volt heraufgesetzt werden muss, wie es bei einigen Aktoren der Fall ist. Das bedeutet, dass sich mit diesen Batterien auf Systemebene nicht nur die Energiedichte erhöhen lässt, sondern dass die kleinen Roboter auch größere Entfernungen zurücklegen oder mehr wichtige Informationen an das menschliche Bedienpersonal übermitteln können.

»Der nächste Schritt besteht nun darin, das Design auf alle Plattformen für Festkörper-Mikrobatterien zu übertragen, die von Natur aus sicherer und energiedichter sind als ihre Gegenstücke mit flüssigem Elektrolyten«, resümiert Professor Braun.

Originalveröffentlichung

S. Kim, et al., Serially integrated high-voltage and high-power miniature batteries, Cell Reports Physical Science, Volume 4, Issue 1, 2023, 101205, ISSN 2666-3864, https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2022.101205.