Forschung -

Eine interessante Dimension für Feststoff-Batterien

Ingenieure der University of Maryland entwickelten eine dünne Batterie, die aus einigen Millionen sorgfältig konstruierten "Mikrobatterien" in einem Quadratzoll besteht. Jede Mikrobatterie hat die Form eines sehr hohen, runden Raumes und bietet eine große Oberfläche - wie die Wandflächen - auf der nanodünne Batterieschichten erstellt werden.

Die dünnen Schichten erzeugen zusammen mit der großen Oberfläche eine sehr hohe Leistung bei gleichzeitig hoher Energie. Sie wird als "3-D Batterie" bezeichnet, da jede Mikrobatterie eine ausgeprägte 3-D Form hat.

Diese 3-D Batterien bringen die herkömmlichen planaren Dünnschicht-Festkörperbatterien in eine dritte Dimension. Planarbatterien sind ein einziger Stapel von flachen Schichten, die die Rollen von Anode, Elektrolyt, Kathode und Stromkollektoren übernehmen.

Um die 3-D Batterien herzustellen, bohrten die Forscher sehr feine Löcher in Silizium, die nicht breiter sind als ein Faden aus Spinnenseide, aber dafür um ein Vielfaches tiefer.

Die Batteriematerialien wurden auf die Innenwände der tiefen Löcher aufgebracht. Die so vergrößerte Wandfläche der 3-D Mikrobatterien bietet mehr Energie, während die Dünnheit der Schichten die lieferbare Leistung dramatisch erhöht. Der Prozess ist etwas komplizierter und teurer als beim flachen Gegenstück, führt aber bei gleicher Grundfläche zu mehr Energie und höherer Leistung.

Seit mehr als zehn Jahren kennen die Batterieforscher die Leistungs- und Energievorteile eines solchen 3-D Batteriedesigns, aber die Herstellung und das Testen waren bis zum jüngsten Erfolg des Maryland NEES-Teams erfolglos.

Das liegt daran, dass sie eine Technik namens Atomlagenabscheidung verwendeten, bei der jede Schicht nur wenige Atome dünn ist.

Jedes Material, für jeden Teil der Batterie, wird erwärmt, bis die Atome einen feinen Nebel erzeugen, der sich über die Form legt und sich dicht und mit einer feinen dünnen Schicht anlagert. Dieser Aufbau der Batterien stellte sicher, dass jede Schicht mit den Lochseiten übereinstimmt, ohne Flecken oder unbeschichtete Stellen.

"Dieser Forschungsbericht bietet dahin gehend einen definitiven Machbarkeitsnachweis, dass Energie- und Leistungsdichte mit vergrößerter Oberfläche zunehmen", sagte der Forschungsassistenz Keith Gregorczyk, ein Mitglied des Forschungsteams, das die 3-D Mikrobatterien entwickelt hatte.

"Ein großer Vorteil dieser Batterie ist, dass sie fest ist, das heißt, sie enthält keine brennbaren Flüssigkeiten, die wie herkömmliche Lithium-Batterien Feuer fangen können", sagte Gary Rubloff, der 'Principal Investigator' der Studie.

"Und da es mit den gleichen Herstellungsverfahren wie bei den Halbleiterchips hergestellt wird, kann es direkt in eine Vielzahl von Geräten integriert werden, von Gesundheitsmonitoren und Handys bis hin zu vielen anderen Anwendungen."

Rubloff ist Direktor des 'Nanostructures for Electrical Energy Storage (NEES). Er ist auch Gründungsdirektor des 'Maryland NanoCenter' und ein distinguierter Universitätsprofessor mit Berufungen am 'Institute for Systems Research' und dem 'Institute for Research in Electronics and Applied Physics'.

Eine Beschreibung und Analyse der 3-D Festkörperbatterie und ihres Potenzials erschien in "ACS Nano".

Schrifttum: "Three-Dimensional Solid-State Lithium-Ion Batteries Fabricated by Conformal Vapor-Phase Chemistry". Alexander Pearse, Thomas Schmitt, Emily Sahadeo, David M. Stewart, Alexander Kozen, Konstantinos Gerasopoulos, A. Alec Talin, Sang Bok Lee, Gary W. Rubloff, Keith E. Gregorczyk. ACS Nano, 2018, 12 (5), pp 4286–4294. doi: 10.1021/acsnano.7b08751

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