Die Batterie der Zukunft

Für die Stromversorgung tragbarer Geräte bleibt die Batterie auch in Zukunft unverzichtbar. Im Zuge der technologischen Miniaturisierung und der gleichzeitigen Suche nach umweltschonenderen Lösungen bildet die Dünnschichtbatterie eine vielfältig einsetzbare Alternative zur herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterie. Im Bereich der Konsumgüter bietet sie eine biegbare, aber robuste Lösung zur Integration in Smart Gadgets und Wearables. Da sie als Festkörperbatterie nicht ausläuft und eine immense Lebensdauer hat, bietet sie außerdem eine hohe Sicherheit – was sie bspw. für medizinische Anwendungen besonders interessant macht.

Aber auch beim Thema Sensorik spielen Festkörper-Dünnschichtbatterien zukünftig eine wesentliche Rolle. Industrielle Prozesse werden derzeit mit Sensoren, welche z.B. Temperatur oder Druck detektieren, überwacht. Hierbei sind autarke, gut integrierbare und wartungsarme Energiespeichersysteme von Nöten. Die Dünnschichtbatterie stellt dabei die optimale Lösung dar. Aufgrund der guten Anpassungsfähigkeit und Skalierbarkeit auf benötigte Energiemengen lassen sich unnötige Kosten reduzieren und maßgeschneiderte Lösungen finden.  

Heutiger Stand der Batterietechnik

In alltäglichen privaten wie beruflichen Anwendungen sind Batterien notwendig. Durch die ständig fortschreitende Miniaturisierung kommen derzeit erprobte Batteriesysteme allerdings an ihre physikalischen Grenzen. Mit Dünnschichtbatterien eröffnen sich ganz neue Möglichkeiten für batteriebetriebene Szenarien.

Aktuelle Lithium-Ionen-Systeme auf Flüssigelektrolytbasis überzeugen zwar durch ihre ausgezeichneten Leistungsparameter, sind aber noch immer kostspielig, unflexibel und stellen mit dem beinhaltenden organischen, hoch entzündlichen Elektrolyten stets ein hohes Risiko für den Anwender dar. Gerade im Bereich der Unterhaltungs- oder Medizintechnik ist Sicherheit das wichtigste Kriterium für den Anwender. Dies können kostengünstige Festkörper-Dünnschichtbatterien garantieren.  

Flexibel und sicher: Die Vorteile von Dünnschichtbatterien

Dünnschichtbatterien können durch ihren hohen Sicherheitsaspekt überzeugen. Die exklusive Verwendung von Festkörpermaterialien macht sie im Vergleich zu derzeitig verwendeten Flüssigelektrolytzellen gerade in Bezug auf Anwendernähe überlegen. Darüber hinaus kann die Dünnschichtbatterie durch mögliches Stapeln einzelner Zellen perfekt auf individuelle Anwendungsszenarien angepasst werden, wobei durch die intrinsische, mechanische Flexibilität die Integration auf unterschiedlichste Oberflächen ermöglicht wird. Hierbei sind der Integrierbarkeit der Dünnschichtbatterie keine Grenzen gesetzt. Form und Geometrie der Zelle sind absolut flexibel wählbar und können auf die Wünsche des Anwenders abgestimmt werden.

Abgerundet wird das positive Bild der Dünnschichtbatterie durch ihre physikalischen Leistungsparameter. Durch die geschickte Wahl der richtigen Materialien sind mehrere tausend Lade- und Entladevorgänge bei hoher Robustheit und damit verbunden praktisch wartungsfreiem Arbeiten einfach zu realisieren.   

Vielseitige Anwendungen von Dünnschichtbatterien – auch in der Medizintechnik

Die Anwendung von Dünnschichtbatterien ist in vielfältigen Szenarien denkbar. Gerade im Bereich der Miniaturisierung steigen die Anforderungen an leistungsstarke, anpassungsfähige Energiespeichersysteme täglich. Hier können wartungsfreie Dünnschichtbatteriesysteme glänzen. So bietet das Internet-der-Dinge (IoT) mit dem nötigen Sensorennetzwerk unzählige Möglichkeiten, autark arbeitende Dünnschichtbatterien zu integrieren. Auch dezentral eingesetzte Sensoren, zur Überwachung industrieller Prozesse (Industrie 4.0), können durch den Einsatz flexibler Speicher mit Energie betrieben werden. Die somit eingesparten Kabel sorgen für immense Kosteneinsparungen und eine Vereinfachung der betrieblichen Infrastruktur. 

Auch im Bereich der Unterhaltungselektronik oder Wearables haben gerade flexible Dünnschichtbatterien ein großes Potential. Durch ihre anpassungsfähige Form und Robustheit lassen sie sich perfekt in Kleidung einarbeiten und dienen als Energiequelle für etwaige GPS-Tracker oder stellen die Stromversorgung von Smart Gadgets sicher.

Zudem können hoch spezifische Anwendungsfelder in der Medizintechnik abgedeckt werden. Gerade hier spielt die Sicherheit der eingesetzten Energiespeicher, bei möglichst großer Mobilität eine wesentliche Rolle. Blutdruckmessgeräte, welche für ein 24-Stunden-Monitoring eingesetzt werden und keine stationäre Energieversorgung erlauben, oder Blutzuckerspiegelmessungen mit hoher zeitlicher Frequenz können durch die Verwendung von Festkörper-Dünnschichtbatterien vereinfacht oder überhaupt erst ermöglicht werden.

Durch die vorhandene Prozesstechnik am Fraunhofer IFAM lassen sich für die verschiedenen Anwendungsszenarien maßgeschneiderte Lösungen finden. Hierbei können unsere Expertinnen und Experten je nach Anforderung Parameter wie Zellgeometrie, elektrochemische Leistungsdaten oder das angewandte Materialsystem im Einzelfall anpassen.

Die Abteilung Elektrische Energiespeicher unter der Leitung von Dr. Julian Schwenzel beschäftigt sich darüber hinaus mit der Synthese von innovativen Batteriematerialien der neusten Generation, der Integration dieser in elektrochemischen Zellen sowie der Charakterisierung von Batteriezellen und -modulen. Basierend auf langjähriger Erfahrung im Bereich der Batterietechnologie bildet das Team der Elektrischen Energiespeicher eine der Grundsäulen für die Kernkompetenz Elektromobilität am Fraunhofer IFAM.