Ein Computer von der Größe eines Kubikmillimeters. (IBM) Vor nicht allzu langer Zeit waren Computer so groß, dass sie ganze Räume einnahmen. Heutzutage können einige Verarbeitungseinheiten nur ein paar Staubkörnchen groß sein.
Sogar neben einem Reiskorn stapeln sich diese mikrometergroßen Chips sehen unendlich klein aus .
Allerdings hat es sich als schwieriger erwiesen, Computerbatterien auf diese Größe zu verkleinern.
Da nur wenig Speicherplatz zur Verfügung steht, sind die kleinsten Computer auf Ultraschall oder Photovoltaikzellen angewiesen, um die Mikrobatterien kontinuierlich mit Energie aus Vibrationen oder Sonnenlicht aufzufüllen. Das hat seine Nachteile, da der Computer ohne ständige Stromversorgung oder an dunklen Orten wie dem menschlichen Körper nicht funktioniert.
Einige Wissenschaftler in Europa schlagen daher eine alternative Struktur vor: eine Mikrobatterie, die auf der Faltung mikrodünner Schichten wie Origami basiert.
Die Batterie ist derzeit nur ein Prototyp, aber die vorläufigen Ergebnisse sind ermutigend.
Batterieprototyp neben Salzkorn. (TU Chemnitz/Leibniz IFW Dresden)
„Es besteht ein dringender Bedarf an der Entwicklung von Hochleistungsbatterien für den Millimeter- und Submillimeterbereich, da solche Energiespeichersysteme die Entwicklung wirklich autonomer Mikrosysteme erleichtern würden“, so die Autoren schreiben .
Computerbatterien in voller Größe basieren in der Regel auf „Nasschemie“, was bedeutet, dass elektrisch leitende Metallfolien mit flüssigen Elektrolyten in Kontakt gebracht werden, um einen Energiefluss zu erzeugen.
Chipbasierte Batterien einer bestimmten Größenordnung können jedoch keine flüssigen Elektrolyte unterstützen.
Daher haben die Erfinder dieser neuen Mikrobatterie einen festen Elektrolyten zwischen zwei Mikrochips gepresst, die mit einem hauchdünnen Elektrodenfilm überzogen sind, einer positiv und einer negativ.
Dieser feste Elektrolyt ist jedoch bei weitem nicht so effizient wie die Verwendung eines flüssigen Elektrolyten, und hier kommt die Faltung ins Spiel.
Durch das Aufwickeln eines flachen Batteriestapels in einen Biskuitrolle-Zylinder „können Wissenschaftler viel mehr Oberfläche auf engstem Raum unterbringen. Genauso funktionieren die Zylinderzellen in Teslas Elektroautos.
Im Maßstab eines Kubikmillimeters ist es äußerst schwierig, dünne und spröde Materialien durch äußeren Druck in eine solche Form zu rollen.
Glücklicherweise gibt es eine andere Möglichkeit, das Material von selbst zusammenfalten zu lassen: „Mikro-Origami“.
Die Technik funktioniert wie ein rollendes Fensterrollo. Wenn das dünne Material nach unten gezogen wird, können Sie die mechanische Spannung loslassen, und das Ganze schießt nach oben und rollt zu einem Zylinder.
Illustrationen von geschichteten dünnen Filmen und einer Biskuitrolle auf einem Chip. (Zhu et al., Advanced Energy Materials, 2022).
Auf einem Chip gelang es den Forschern, diese Bewegung zu erreichen, indem sie eine Seite des dünnen Materials festhielten, um im Wesentlichen die Stange einer Fensterjalousie zu erzeugen.
Letztendlich gelang es dem Team, einen Prototyp einer Mikrobatterie auf eine Fläche von nur 0,04 Millimetern im Quadrat zu rollen und so eine achtmal höhere Kapazität zu liefern, als eine ähnlich große flache Batterie erreichen würde.
Die Autoren sagen, dass der Zylinder der Standard-Bistro-Struktur ähnelt, die in größeren Batterien verwendet wird, einschließlich mindestens zwei Kollektorschichten, einem Kathodenfilm, einem Anodenfilm und einem Elektrolytfilm, die alle zusammengerollt sind.
Das Design ist nicht nur wiederaufladbar, Forscher sagen auch, dass der Akku in seiner jetzigen Form die kleinsten Computer, die wir haben, etwa 10 Stunden lang mit Strom versorgen könnte. Und es gibt noch viel zu tun.
„Es gibt noch großes Optimierungspotenzial für diese Technologie und wir können in Zukunft mit deutlich stärkeren Mikrobatterien rechnen“, sagt Physiker Oliver Schmidt von der Technischen Universität Chemnitz in Deutschland.
Die Studie wurde veröffentlicht in Fortschrittliche Energiematerialien .