Mit einer Biskuitrolle haben Wissenschaftler die kleinste Batterie der Welt entwickelt

In den Anfängen der Computer im 20. Jahrhundert wurden große Räume benötigt, um sie unterzubringen. Im Laufe der Jahrzehnte sind Computer in ihrer Größe geschrumpft, und einstige Giganten sind jetzt in alle Arten von tragbarer Elektronik gepackt. Aber damit sich Technologien weiterentwickeln können, müssen sie auch kleiner werden.

Wissenschaftlern der Technischen Universität Chemnitz ist es kürzlich gelungen, die kleinste Batterie der Welt zu entwickeln, die nur so groß ist wie Staub.Die Inspiration für die Realisierung dieser Technologie bezieht sich auf ein gewöhnliches Lebensmittel – Biskuitrolle.

Tatsächlich ist vor einigen Jahren ein Computer mit einem Volumen von nur 0,04 Kubikmillimetern erschienen, der jedoch nur im Labor demonstriert werden kann. Allerdings ist der Größenunterschied zwischen Mikrobatterien und Mikroelektronik zu einem grundlegenden Hindernis für die Entwicklung intelligenter Miniatursysteme geworden, die jederzeit und überall Strom benötigen, und bestehende Technologien können den Platzbedarf von Batterien nicht verringern und gleichzeitig eine ausreichende Energiespeicherung aufrechterhalten.

Daher ist die Entwicklung von Energy Harvestern und Speichergeräten im Submillimeterbereich der Schlüssel, um staubgroße Computer ewig laufen zu lassen. Forscher der Technischen Universität Chemnitz ahmten die Herstellung zylindrischer Batterien nach und verwendeten einen Selbstmontageprozess, bei dem gestapelte Folien in einer Schweizer Rollenkonfiguration gewickelt werden, um den Platzbedarf zu verringern.

In der Makrowelt besteht eine effektive Methode zur Erhöhung der Stellflächenkapazität darin, die leere Batterie zu einer Biskuitrolle zu wickeln. Das Elektroauto von Tesla soll die Kapazität der Batterie um das 28-fache erhöhen und 18.650 Zellen zu einem Batteriepaket zusammenbauen, um Strom zu liefern.

Das Erreichen dieses Swiss Roll-Designs auf einem Chip durch Mikrofabrikation ist jedoch nicht einfach, da das Wickeln dünner, spröder Schichten auf einen Chip mit äußerer Kraft weder ein Massenproduktionsprozess noch genau genug ist, um eine hohe Ausbeute und Wiederholbarkeit zu erreichen.

Daher verwandelten die Forscher den Dünnschichtstapel in eine „Miniatur-Biskuitrolle“, indem sie zweidimensionale Nanoschichten durch Selbstorganisation zu Mikrostrukturen falteten oder rollten, was auch das Problem der kleinen Fläche und der hohen Energiedichte ein Stück weit löste. hartnäckige Probleme.

Die Forscher erwähnten, dass die Mikrobatterie in der Lage sein sollte, monolithisch mit anderen Geräten integriert zu werden. Diese „Swiss-Roll-Mikrobatterie" kann beispielsweise auf einem Lichtsensor verwendet werden. Nach dem Aufrollen der Batterie kann die verfügbare Chipfläche ein vollintegriertes 3D-Mikrosystem aufnehmen. Die Swiss-Roll-Zn-Ag-Mikrobatterie wird somit mit dem verbunden Lichtsensor.

Darüber hinaus ist die erzielbare Energiedichte der zentrale Parameter, der darüber entscheidet, ob diese staubgroßen Batterien letztendlich in Mikrosysteme integriert werden können. Die Forscher glauben, dass eine praktischere Verwendung für die winzigen Batterien darin besteht, Energie als Notstromquelle im Falle einer Unterbrechung der Energiegewinnung bereitzustellen. Dies würde mindestens einige Stunden Energie erfordern. Daher haben sie eine minimale Energiedichte von 100 Mikrowattstunden (μWh) pro Quadratzentimeter.

Wie sich die Forscher vorstellen, eignen sich die Mikrobatterien für die spätere Integration in winzige Chips mit Schaltkreisen, die für biokompatible Sensoren im menschlichen Körper verwendet werden könnten, um beispielsweise die Genesung nach Operationen und den Zustand von Organen zu erkennen.

Professor Oliver G. Schmidt, der die Forschung leitete, sagte: „Diese Technologie hat noch großes Optimierungspotenzial, und wir können uns in Zukunft auf leistungsfähigere Miniaturbatterien freuen.“

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