Festkörperbatterien für mehr Sicherheit bei IoT-Anwendungen

Das Aufkommen des Internet of Everything (IoE), das Menschen, Prozesse, Daten und Dinge auf intelligente Weise verbindet, erfordert kompakte, leistungsstarke Batterien. Damit sich intelligente Geräte (Smart Devices) noch weiter verbreiten können, wächst die Nachfrage nach einer sichereren, kompakteren wiederaufladbaren Alternative zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien.

Lithium-Ionen-Batterien

Aufgrund ihrer hohen Energiedichte kommen Li-Ionen-Batterien heute häufig in Elektronikgeräten zum Einsatz – von Laptops, Smartphones und kabellosen Ohrhörern bis hin zu Drohnen, Elektrofahrrädern und Elektrofahrzeugen.

Diese Batterien werden jedoch mit organischen, lösungsmittelbasierten Elektrolyten hergestellt, die leicht entzündlich sind und das Risiko des Auslaufens bergen. Im schlimmsten Fall führt das Auslaufen von Batteriezellen zu einem Brand. Der Elektrolyt ist außerdem hochgiftig und kann bei Verschlucken tödlich sein.

Festkörperbatterien der nächsten Generation

Aufgrund dieser Gefahren haben die Hersteller von IoT-Geräten die Batteriehersteller aufgefordert, sicherere und zuverlässigere Festkörperbatterien (Solid-State-Batterien) zu entwickeln, die ein stabiles Elektrolytmaterial enthalten.

Diese Festkörperbatterien der nächsten Generation zeichnen sich im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien durch hohe Sicherheit, hohe Zuverlässigkeit und eine längere Lebensdauer aus, da sie ein stabiles, nicht brennbares festes Elektrolytmaterial anstelle von Flüssigkeit verwenden. Dadurch entfällt die Gefahr des Auslaufens und von Bränden. TDK war der erste Hersteller, der eine vollkeramische SMD-Festkörperbatterie namens Cera-Charge auf den Markt brachte.

SMD-Festkörperbatterie im Detail

Diese Festkörperbatterie ist eine SMD-Komponente mit einer hohen Energiedichte, geringer Größe und einem hohen Maß an Sicherheit. Im Vergleich zu herkömmlichen Batterien – ob wiederaufladbar oder nicht – arbeiten diese robusten Bauteile in einem weiten Temperaturbereich von -20 bis +80 °C und sind damit sowohl für den Innen- als auch für den Außenbereich geeignet.

Sie können auch bei Vakuumanwendungen eingesetzt werden. Je nach Systemanforderung sind bis zu 1000 Lade-beziehungsweise Entladezyklen möglich.

Diese Eigenschaften wurden in der Mehrschicht-Keramiktechnologie realisiert, wie sie auch in der Fertigung von Mehrschicht-Keramik-Chip-Kondensatoren (MLCCs) zum Einsatz kommt. Damit stellt die Festkörperbatterie eine Kombination aus einer relativ hohen Energiedichte und einem kleinen Volumen mit den Sicherheits- und Serienfertigungsvorteilen von Keramik-MLCCs dar. Dank SMD-Montage ist die Platzierung der Batterie einfach. Sie kann auch mit Reflow-Löttechniken verarbeitet werden, was die Fertigungskosten des Endprodukts reduziert.

Anwendungen in einer Thermometersonde

Die Festkörperbatterie in Chipgröße kommt in einer Vielzahl von IoT-Produkten zum Einsatz, was mit herkömmlichen Li-Ionen-Batterietechnologien nicht möglich wäre. Eine solche Anwendung ist eine 15 cm lange Thermometersonde aus Metall von Cook-Perfect, einem Hersteller von Kochthermometern. Das Produkt ist mit fünf Temperatursensoren, einem BLE-Funkmodul (Bluetooth Low Energy) und der Festkörperbatterie von TDK ausgestattet.

Wird die Sonde in ein Fleischstück eingeführt, misst sie die Innentemperatur, während dieses im Ofen gart. Über ein Smartphone lässt sich die Fleischtemperatur in Echtzeit überwachen, um das Fleisch perfekt zuzubereiten.

Gründe für die Verwendung der Festkörperbatterie

Nach Angaben des Unternehmens für Thermometersonden gab es zu Beginn der Entwicklung des Produkts keine einfache Batterietechnik, die eine Messung an fünf Punkten ermöglichte, komplexe Algorithmen ausführte und in die Sonde integriert werden konnte. Aber mit der SMD-Festkörperbatterie könnte das erste „echte funkbasierte“ Thermometer entwickelt werden.

Dabei ist die die Zuverlässigkeit und Sicherheit der Batterie besonders wichtig, da diese Thermometer direkt in Lebensmittel eingeführt und in Hochtemperaturöfen und Grills verwendet werden. Deshalb dürfen niemals Chemikalien auslaufen. Außerdem muss der Betriebstemperaturbereich hoch sein, damit er dem Einsatz in Backöfen standhält. Die Tatsache, dass die Festkörperbatterie aufgrund seiner festen Form kein Leckagerisiko birgt, klein genug ist, um in eine Einheit mit einem Durchmesser von 3,7 mm eingebaut zu werden und Temperaturen bis zu 85 °C standhält, waren nach Ansicht des Elektronik-Herstellers wichtige Entscheidungsfaktoren für dieses Produkt.

Weitere IoT-Anwedungen

Da sich intelligente Geräte wie dieses Kochthermometer zunehmend verbreiten, zeichnet sich ein umfassendes IoT-Ökosystem ab. Die Festkörperbatterie wird derzeit für die Integration in verschiedene andere Arten intelligenter Geräte in Betracht gezogen, darunter Echtzeituhren (RTC) für intelligente Zähler (Smart Meter), Wearables und intelligente Sensoren.

Um die Kapazität und die Spannung zu erhöhen, können die Batterie-Komponenten in Serie und parallel geschaltet werden. Dies eröffnet einen breiten Anwendungsbereich, beispielsweise als Backup-Batterie für Echtzeituhren (RTC) oder Energiespeicher für die BLE-Beacon-Übertragung.

Backup-Batterie für Echtzeituhren

In den meisten Fällen werden Knopfzellen als Backup-Batterie für RTCs verwendet. Der größte Nachteil dieser Lösung besteht darin, dass Nutzer sie irgendwann austauschen müssen. Der Ersatz der Primärzelle im RTC-Modul durch eine wiederaufladbare Batterie löst dieses Problem. Denn eine RTC benötigt in der Regel weniger als eine Stunde am Stück Strom aus der Backup-Batterie. So kann die Festkörperbatterie die RTC-Funktion für 1 bis 4 Wochen ohne Wiederaufladen sichern.

Energiespeicher für die BLE-Beacon-Übertragung

Die solarbetriebene BLE-Beacon-Technik entwickelt sich aufgrund ihres geringen Platzbedarfs und Stromverbrauchs zu einer bevorzugten Lösung für die Datenanbindung. In einer typischen Schaltung lädt die Solarzelle einen Kondensator auf, der die Primärenergie für das BLE-Modul bereitstellt. Ist die Solarzelle inaktiv, beispielsweise nachts, wenn es dunkel ist, kann die Festkörperbatterie die gespeicherte überschüssige Energie zum Laden des Kondensators zu verwenden, damit der solarbetriebene Beacon kontinuierlich weiterbetrieben wird. (bs)