Der regelmäßige Wechsel der Batterie bei über einer Milliarde IoT-Geräten stellt eine ernstzunehmende Herausforderung dar – sowohl im Hinblick auf die Kosten als auch auf die Logistik. Aus diesem Grund benötigen Entwickler auch wiederaufladbare Akkus, die die aus der Umgebung gewonnene Energie – zum Beispiel von Solarzellen oder Temperaturgefällen – direkt nutzen können.

Bild 1: Egal ob in Produktionsumgebungen, im Smart Home oder im Fahrzeug: mit dem IoT nimmt die Anzahl der Sensoren und Funkknoten ständig zu. Zur Stromversorgung dieser Systeme wird eine passende Batterietechnologie immer wichtiger.

Egal ob in Produktionsumgebungen, im Smart Home oder im Fahrzeug: mit dem IoT nimmt die Anzahl der Sensoren und Funkknoten ständig zu. Zur Stromversorgung dieser Systeme wird eine passende Batterietechnologie immer wichtiger. Adobe Stock Nr.216828003 von elenabsl

In den letzten Jahren wurden NiCd- (Nickel-Kadmium) und NiMH-Zellen (Nickel-Metall-Hydrid) zunehmend durch Lithium-basierende Batterien ersetzt, da diese eine höhere Energiedichte aufweisen können. Doch auch diese bringen Herausforderungen mit sich – besonders im Kontext von industriellen Anwendungen oder Elektromotoren.

Eckdaten

Bereits heute gibt es über eine Milliarde IoT-Geräte und jedes davon benötigt eine Energiequelle. Mit steigender Leistungsfähigkeit der Geräte müssen sich aber auch die Batterien weiterentwickeln. Hierbei spielen vor allem drei Aspekte eine Rolle:

  • Energiedichte erhöhen
  • Gefahrenpotential minimieren
  • Kosten reduzieren

Die Entwicklung von oberflächenmontierbaren Festkörperbatterien bietet hier neue Möglichkeiten. Mit Aluminium und Natrium über Magnesium bis hin zu Graphen stehen zudem zahlreiche Materialen für neue Batterietechnologien zur Verfügung.

Wiederaufladbare Lithium-Batterien neigen zu Dendrit-Wachstum, was zu Kurzschlüssen und im schlimmsten Fall zu Bränden führen kann. Die kleinen Nadeln wachsen während des Aufladens und können früher oder später einen direkten Kontakt zwischen Anode und Kathode herstellen. Der Transport der Zellen von Produktionsstandorten im Ausland kann sich ebenfalls schwierig gestalten, da die Gefahr besteht, dass sich die Batterien im Frachtraum eines Flugzeugs entzünden könnten. Außerdem bieten Lithium-Zellen nur eine begrenzte Anzahl an Ladezyklen. Für Verbraucheranwendungen wie Mobiltelefone, mit einer durchschnittlichen Nutzungsspanne von zwei bis drei Jahren, ist das vollkommen ausreichend. Für industrielle Anwendungen mit einer erwarteten Lebensdauer von 10 bis 20 Jahren stellt es hingegen ein Problem dar. Zudem nimmt auch die Nachfrage nach geringerer Größe und längerer Lebensdauer immer weiter zu. Forscher und Batteriehersteller suchen daher nach neuen Möglichkeiten, eine Zelle mit höherer Energiedichte und verbesserter Sicherheit bereitzustellen.

Der Einsatz von Festkörper-Technologie

Eine Möglichkeit bietet Festkörper-Technologie. Lithium-Akkus haben eine Energiedichte von etwa 160 Wh/l und enthalten ein dickflüssiges Polymer zum Transport der Lithium-Ionen. Dieses kann jedoch auslaufen und es besteht die Gefahr des Dendrit-Wachstums. Aus diesem Grund ist es auch nicht möglich die Zellen per Oberflächenmontage auf eine Platine zu löten, was höhere Produktionskosten zur Folge hat.

Festkörper-Batterien hingegen verfügen über eine feste Schicht, die das Wachstum von Dendriten verhindert. Diese erschwert jedoch den Transport der Ionen zwischen Anode und Kathode – ein wichtiger Aspekt, denn je freier sich die Ionen bewegen können, desto geringer ist die Ladezeit der Zelle.

Symbolfoto TDK Lithium-Akku Batterie

Bild 1: Zwei Lithium-Akkus von TDK Mouser

TDK hat einen Lithium-Festkörper-Akku (Bild 1) auf den Markt gebracht, der für die Oberflächenmontage geeignet ist. Der Akku nutzt Keramikschichten zum Transport der Ionen. Laut Herstellerangaben übersteht der Akku bis zu 1000 Ladezyklen. Weiterhin gibt TDK an, dass der Akku bei einer Nennspannung von 1,4 V eine Kapazität von 100 µAh hat und somit eine Stromaufnahme von wenigen Milliampere bietet. Er verfügt über ein kompaktes EIA-1812-Gehäuse und eignet sich unter anderem für Zeitgeber, Bluetooth-Beacons, Wearables oder IoT-Knoten mit Energy Harvesting.

Toshibas wiederaufladbarer SCiB-Akku (Super-Charge-Ion-Battery) Batterietechnologie

Bild 2: Toshibas wiederaufladbarer SCiB-Akku (Super-Charge-Ion-Battery) Mouser

Neben TDK hat auch Toshiba einen Festkörper-Akku (Bild 2) entwickelt. Dieser enthält eine Anode aus Titan-Niob-Oxid und soll eine Ladezeit von nur wenigen Minuten haben, wodurch er insbesondere für den Bau von Elektrofahrzeugen interessant ist. Nach Volumen verfügt die SCiB-Zelle über eine doppelt so große Speicherkapazität wie die aktuelle Generation an Lithium-Batterien mit Graphit-Anoden (eine Zelle mit 20 Ah hat eine Energiedichte von 176 Wh/l) und ist ab nächstem Jahr verfügbar.

Samsung arbeitet ebenfalls an Lithium-Akkus, bei denen Kugeln aus Graphen und Siliziumdioxid als Beschichtung für Anode und Kathode dienen. So lässt sich nicht nur das Dendrit-Wachstum unterbinden, auch die Energiedichte soll sich verdoppeln. Die patentierte Technologie soll bald in Akkus für das IoT und Mobiltelefone zum Einsatz kommen.

 

Welche technologischen Fortschritte und neuen Ansätze es in der Batterietechnologie gibt, erklärt der Beitrag auf der folgenden Seite.

Seite 1 von 212