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Speicher im Vergleich

Wiederaufladbare Mikro-Energiespeicher

16. März 2011, 8:03 Uhr | Von Joe Keating

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Knopfzellen und Superkondensatoren

Die größten Vorteile von wiederaufladbaren Knopfzellen sind deren relativ geringer Platzbedarf sowie die niedrigen Kosten. Sie eignen sich besonders für Sicherungsanwendungen (z.B. Echtzeituhren und SRAM), bei denen allgemein ein breiter Leistungsbereich verfügbar ist, eine geringe Entladung (<10% Depth of Discharge, DOD) annehmbar ist und die Betriebsdauer üblicherweise weniger als fünf Jahre beträgt. Da traditionelle Technologien wiederaufladbarer Batterien jedoch eine relativ kurze Betriebslebensdauer aufweisen, steigen die Gesamtbetriebskosten durch deren Austausch wieder.

Dies kann bei den Anwendungen besonders problematisch sein, bei denen das Gerät nicht richtig zugänglich und/oder hermetisch abgedichtet ist, wodurch sich der Austausch außerordentlich schwierig und damit teuer gestaltet. Die Betriebslebensdauer von Batterien verkürzt sich sogar noch weiter, wenn Anwendungen häufige tiefe Entladungen notwendig machen. Zusammen mit einer hohen Selbstentladung und einer wenig effizienten Ladungsaufnahme bei niedrigen Stromstärken können diese Nachteile dazu führen, dass diese Batterien für Anwendungen mit angewandtem Energietransfer nicht geeignet sind.

Bei dauerhaft höheren Temperaturen (+50 °C bis +85 °C) jedoch sinken schnell die Kapazität und der äquivalente Serienwiderstand (ESR) steigt. Damit sinkt auch die Betriebs-lebensdauer. Bei Anwendungen mit mehr als 2,5 V Betriebsspannung müssen zudem Kondensatoren üblicherweise in Reihenschaltung abgeglichen werden. Dadurch werden Konstrukteure gezwungen, sich zwischen einem passiven Ausgleich mit hohem Verluststrom und einem aktiven Ausgleich mit beträchtlicher zusätzlicher Komplexität zu entscheiden.

Ein weiterer Nachteil ist der relativ hohe Schwellenwert für den erforderlichen Ladestrom (häufig größer als 35 µA), bevor Superkondensatoren eine Ladung aufnehmen können. Bei Anwendungen, bei denen hohe Impulsströme benötigt werden, die verfügbare Umgebungsenergie jedoch relativ schwach ist, lassen sich Superkondensatoren mit Dünnschichtbatterien kombinieren. Eine solche hybride Lösung bietet exzellente langfristige Speicherung und konsistente Bereitstellung hoher Energie in einem breiten Temperaturbereich. Auch für eine »On-demand«-Aktivierung der Anwendung nach einer längeren Zeit ohne Aufladung eignet sich eine solche Kombination.

Dünnschichtbatterien

Die Dünnschichtbatterie, die auch unter dem Namen Mikroenergiezelle (MEC) bekannt ist, ist eine relativ neue Technologie, entwickelt in den späten 1990ern in den Oak Ridge National Laboratories (ORNL). Ein wichtiger Vorteil der MECs ist ihre Festkörperform, die sicheren und umweltfreundlichen Betrieb gewährleistet. ORNL hat mehreren Herstellern Lizenzen für die grundlegende Technologie vergeben, die verschiedene Konzeptionen bieten, die jedoch einige Eigenschaften gemeinsam haben.

Die meisten verwenden Lithium-kobaltoxid (LiCoO2) für die Kathode und Lithium oder ein anderes Metall als Anode. Die meisten benutzen auch Lithiumphosphoroxynitrid (LiPON) als Elektrolyt. Der Einsatz von Festkörperelektrolyten bietet viele Vorteile, denn es können keine Flüssigkeiten aus der Zelle austreten. Daher können solche Flüssigkeiten (z.B. Elektrolyte) die anderen Bauteile auf der Leiterplatte nicht angreifen.

Diese Eigenschaft der Festkörper-MECs sorgt für deren außerordentlich lange Lebenszeit. Mikroenergiezellen bieten viele Vorteile bei den Anwendungen, bei denen Umgebungsenergie aufgenommen werden muss, um über eine unerwartet längere Betriebsdauer hinweg betriebsbereit zu sein, möglicherweise auch in rauer Umgebung. Zu diesen Vorteilen gehören:

Ladungsaufnahme bei Stromstärken unterhalb von 100 nA.
Mehr als 10000 Ladezyklen ohne Zersetzung durch tiefe Entladungen.
Eine hohe Selbstentladung bei Impuls- und Dauerstrom.
Die Spitzenleistung wird ohne eingeschränkte Impulsbreite bereitgestellt und macht keine externen Kondensatoren erforderlich.

Der geringe interne Widerstand ermöglicht eine kontinuierliche Entladung bei hohen Temperaturen. Der nutzbare Spannungsbereich weist selbst bei hohen Stromstärken ein flaches Profil auf. Möglichkeit einer Serien- und/oder Parallelschaltung, um die notwendigen Spannungswerte und/oder Stromstärken zu erreichen. Verfügbar in tief integrierbaren angepassten Formen (üblicherweise sehr dünn und flexibel), um kleine, leichte und wartungsfreie Konstruktionen zu ermöglichen.

Obwohl die Gestehungskosten der MECs höher als bei konventionellen Energiespeichern sind, führt die substanziell längere Lebensdauer (oft mehr als 20000 Ladezyklen) üblicherweise zu langfristig weit geringeren Gesamtbetriebskosten. Der charakteristische Abfall der maximalen Stromstärke bei kalten Temperaturen ist ein zusätzlicher Nachteil, der sich durch eine Kombination der MEC mit einem Kondensator oder Superkondensator beheben lässt.

Diese kostengünstige Kombination ist einzigartig, da sie auch sehr geringe Umgebungsenergie aufnehmen und für längere Zeiträume (bis zu mehreren Jahren) speichern kann, um diese Energie dann bei sehr hohen Stromstärken abzugeben. Bild 2 zeigt, wie Mikroenergiezellen die Lücke der Energie-/Leistungsdichte zwischen wiederaufladbaren Knopfzellen und Superkondensatoren auffüllen. Ebenso wichtig ist die Positionierung, ob die MECs als Alternative oder innerhalb einer hybriden Konstruktion als Ergänzung zu anderen Energiespeichersystemen verwendet werden können.

Der Autor:

Joe Keating leitet die Abteilung Applications Engineering bei Infinite Power Solutions.