Herstellung von Mikrobatterien

Konzepte für die Herstellung von Mikrobatterien werden derzeit stark beforscht. Einerseits setzt man darauf, herkömmliche Elektrodenlaminate auf Basis gedruckter Kompositelektroden noch kompakter herzustellen und in Metallgehäusen zu verkapseln. Andererseits versucht man, die noch sehr geringe Flächenkapazität von Festkörper-Dünnfilmbatterien durch 3D-Strukturierung der Elektroden zu vergrößern. Die Verfahren hierfür sind jedoch aufwändig, kaum verfügbar und somit vergleichsweise teuer.

Eine am Fraunhofer IZM und der TU Berlin entwickelte Technologie setzt auf die Kombination von einem mit Standardprozessen der Mikrosystemtechnologie herstellbaren Gehäuse und Kompositelektroden (Basis: Siliziumtechnologie), deren Zusammensetzung speziell an die Besonderheiten der Mikrostrukturabscheidung angepasst wurde und welche so in kleinsten Kavitäten realisiert werden können. Eine spezielle Diffusionssperrschicht verhindert, dass Li-Ionen ins Siliziumgehäuse eindiffundieren. Die beschriebenen Zellen erreichen Flächenkapazitäten von etwa 1 mAh/cm², Stromtragfähigkeiten von 5 bis 10 mA/cm² sowie eine Zyklenfestigkeit von mehreren 100 Zyklen (100 Prozent DOD, 80 Prozent Restkapazität) und können damit bereits jetzt mit den am Markt verfügbaren Kleinstakkumulatoren mithalten.

Auch ist es möglich, Zellen genau auf Kundenwünsche hin abzustimmen: Je nach Anwendung werden durch die Wahl der Elektrodenmaterialien die Nennspannung sowie die Form der Entladekurve der Batterie angepasst (vgl. Bild 3a+b). Unter Anwendung spezieller Technologien ist es möglich, Batterieelektroden mit einer präzisen Mikrostruktur herzustellen. Somit kann das Stromtragfähigkeits- und Impedanzverhalten einer bestimmten Batteriechemie zusätzlich gezielt optimiert oder die Form der Batterie anwendungsspezifisch bereitgestellt werden [2].

Bild 4a+b: Rechts im Bild ist das miniaturisierte Hörgerät (‚Hörkontaktlinse‘) mit integriertem Li-Ionen-Akkumulator zur Befestigung direkt auf dem Trommelfell zu sehen. Links in der Schnittdarstellung gut erkennbar ist der Sitz der Hörkontaktlinse im Gehörgang zu sehen.

Bild 4a+b: Rechts im Bild ist das miniaturisierte Hörgerät (‚Hörkontaktlinse‘) mit integriertem Li-Ionen-Akkumulator zur Befestigung direkt auf dem Trommelfell zu sehen. Links in der Schnittdarstellung gut erkennbar ist der Sitz der Hörkontaktlinse im Gehörgang zu sehen. TU Berlin und Auric Hörgeräte

Erfolgreiches Forschungsprojekt: Hörkontaktlinse

Das Konzept wurde bereits erfolgreich in verschiedenen praktischen Anwendungsszenarien umgesetzt. So wird derzeit in dem vom BMBF geförderten Forschungsprojekt „Hörkontaktlinse“ (www.hörkontaktlinse.org) unter Zusammenarbeit von Auric Hörgeräte, dem Universitätsklinikum Tübingen und der TU-Berlin mit seinem Forschungsschwerpunkt Technologien der Mikroperipherik ein formspezifischer Lithium-Ionen-Akkumulator entwickelt, welcher ein neuartiges, extrem miniaturisiertes Hörgerät mit Energie versorgt.

Detailansicht der Hörtkontaktlinse.

Detailansicht der Hörtkontaktlinse. TU Berlin und Auric Hörgeräte

Die Hörkontaktlinse wird direkt auf dem Trommelfell befestigt und stellt damit eine Zwischenform zwischen implantierbarem und außenliegendem Hörgerät dar. Sie soll gering- bis hochgradig schwerhörigen Menschen ein naturgetreues Richtungshören bei hohem Tragekomfort ermöglichen. Zielstellung für den Akku ist eine Laufzeit von zwei Tagen und eine Ladezeit von maximal 30 Minuten. Dabei hat das Gesamtsystem einen Durchmesser von nur 6 mm (Bild 4). Für Anwendungen mit sehr niedrigen Entladeströmen können jedoch noch wesentlich kleinere Zellen hermetisch verkapselt werden. So gibt es bereits erste siliziumintegrierte Mikrobatterien mit einer Gehäusekantenlänge von nur 0,5 mm und einer Gesamtdicke von 200 µm.

Zusammenfassung

Die Digitalisierung, die sich derzeit in nahezu allen Anwendungsbereichen vollzieht, macht noch kleinere, komplexere, multifunktionelle und vernetzbare Systeme erforderlich. Auch die dafür notwendigen Systemintegrationstechnologien selbst müssen technologisch und prozesstechnisch weiterentwickelt werden, um die Produktivität zu erhöhen und somit die Kosten weiter zu verringern. Mit Integrationstechnologien auf Wafer Level und Panel Level stehen hierbei sich schnell entwickelnde Lösungen zur Verfügung, die eine enorme Miniaturisierung und alle üblichen Fertigungsvolumina zulassen.

SMT Hybrid Packaging 2018: Halle 5, Stand 434

 

Fußnote

Danksagung

Der Autor dankt den Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern des Fraunhofer IZM und des Forschungsschwerpunktes Technologien der Mikroperipherik der TU Berlin für die Forschungsergebnisse und Technologiebeispiele, die in diesen Artikel Eingang gefunden haben. Gleiches gilt für die Förderer (z.B. BMBF und AiF), deren Projekte wichtige Teilentwicklungen ermöglichten.

Literatur und Quellen:

[1]        T. Braun, et al: Development of a Multi-Project Fan-Out Wafer Level Packaging
ECTC 2017, 30. Mai – 2. Juni, Lake Buena Vista, Florida, USA

[2]        Hahn, R.; Ferch, M.; Hoeppner, K.; Elia, G.: Micro Patterned Test Cell Arrays for High-throughput Battery Materials Research.
Proceedings of LTB3D 2017, June 2017, Bordeaux, Frankreich.

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