Batterien im Staubkorn

Handelsübliche Batterien sind aus aufgewickelten Schichten aufgebaut. „Dadurch lassen sich bisher Batterien nur begrenzt verkleinern, denn das Aufwickeln der Lagen funktioniert lediglich auf makroskopischer Ebene“, erklärt Prof. Dr. Oliver Schmidt. Seine Forschergruppe an der TU Chemnitz und am Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung arbeitet daran, diese Begrenzung aufzuheben.

Winzige Energiespeicher von etwa zehn Mikrometern Durchmesser (Grafik: IFW Dresden)

Dazu werden dünne Lagen aus abwechselnd metallischen und dielektrischen Materialien auf einer flachen Unterlage aufgebracht. Es entsteht ein Schichtsystem, das in sich hoch verspannt ist. Diese mechanische Verspannung kann durch Ablösen der dünnen Lagen freigesetzt werden: Die Schichten rollen sich von selbst zu winzigen, ultrakompakten Energiespeichern auf, die eine enorme Energie pro Fläche auf einem Chip speichern können – „mehr als zweimal so viel wie mit herkömmlichen Technologien“, meint Schmidt. „Und das Beste ist: Der Herstellungsprozess ist extrem einfach und funktioniert fast von selbst. Hier wird in schönster Weise die so genannte Selbstorganisation mit produktionsreifen Technologien verbunden.“

Im Reinraum werden die Energiespeicher auf einem Chip integriert (Foto: TU Chemnitz/Christian Schenk)

Die Forscher können unterschiedlichste Werkstoffe verbinden – Metalle und Isolatoren, aber auch organische Stoffe wie Polymere oder ultradünne Moleküllagen – so dass verschiedene Arten der Energiespeicherung möglich sind: Batterien bieten langfristige Speicherung, Kondensatoren setzen die Energie schnell frei, etwa für winzige Elektromotoren. Verwendet werden könnten die Mini-Batterien auch für die lokale Energieversorgung von Silizium-Chips oder für den Antrieb von autonomen Systemen wie kleinen Robotern. Eine Vision ist der Einsatz in „Smart Dust“, intelligentem Staub – winzige Sensorsysteme, die zum Beispiel die Temperatur in Wirbelstürmen messen können. Oder sie gehen mit Zugvögeln auf den Weg Richtung Süden und verfolgen den Temperaturverlauf auf der Reise. „Wenn die Sensorsysteme nicht größer sind als Staubkörner, darf natürlich auch die Energieversorgung nicht groß sein“, sagt Schmidt. Aufgeladen wird die Batterie etwa durch eine kleine Solarzelle oder ein thermoelektrisches Element. Bis zur Anwendungsreife, schätzt Schmidt, dauert es noch etwa fünf Jahre.

Katharina Thehos