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Neues Konzept

Silizium-Huckepack-Batterie für Mikrochips

26. August 2016, 14:57 Uhr | Hagen Lang

Die Mikrobatterie ist nur wenige Millimeter groß und besteht aus dem dotierten Halbleitersilizium des Chips, das speziell mikrostrukturiert wurde. Die Herstellung aus Halbleiter-Si-Wafern lässt auf Stückkosten von wenigen Cent hoffen.

Elektrochemiker der TU Graz haben als Material für aktive Speicherelektroden in Lithium-Batterien einkristallines Halbleitersilizium eingesetzt. Dies erlaubt integrierte Stromversorgungen von Mikrochips mit wiederaufladbaren Batterien, deren Leistungsstärke mit Li-Io-Batterien vergleichbar ist.

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»Die Mikrobatterie ist nur wenige Millimeter groß und erreicht Leistungsstärken, die mit den besten heutzutage erhältlichen Li-Ionenbatteriesystemen konkurrieren können«, sagt Matin Wilkening, Leiter des Instituts für Chemische Technologie von Materialien sowie des CD-Labors für Lithium-Batterien. »Zudem könnten auf einem Halbleiter-Si-Wafer mehrere tausend Zellen parallelisiert hergestellt werden, so dass Stückpreise von wenigen Cent erreichbar wären«, so Wilkening weiter.

Neben der enormen Speicherkapazität (mehr als 1000 mAh/g) und einer hohen Stromeffizienz (Coulomb Effizienz >98.8 %) der Siliziumelektrode, überzeugen die kleinen Silizium-Türme, aus denen die Anode der Lithium-Batterie besteht, mit mehr als 100 vollen Lade- und Entladezyklen bei nur wenigen Prozent Kapazitätsverlust. Damit übertrifft die elektrochemische Lebensdauer der Mikrobatterie jedenfalls die durchschnittliche Einsatzdauer eines Sensors oder einer Sonde.

Die Nutzung einkristallinen Siliziums direkt als Batterieelektrode (Anode) basiert auf mehrjähriger Grundlagenforschung am CD-Labor für Lithium-Batterien an der TU Graz.

»Normalerweise kann man Einkristall-Silizium nicht ohne weiteres als Batteriekomponente verwenden, da es sich bei der Umsetzung mit Lithium stark ausdehnt, Risse bekommt und allmählich zerstört wird«, erklärt Michael Sternad, Mitarbeiter am Christian Doppler-Labor für Lithium-Batterien an der TU Graz.

»Wir nutzen direkt das dotierte Halbleitersilizium des Chips. Dazu wird es jedoch vorher gezielt unter Kenntnis der Kristallachsen mikrostrukturiert und dann elektrochemisch in besonderer Weise aktiviert,« erläutert Michael Sternad.