Prototypenlinie für Minibatterien eröffnet in Berlin

Integrierbare Mikrobatterien und die autarke Energieversorgung von kleinsten elektronischen Systemen gewinnen in vielen technologischen Bereichen immer mehr an Bedeutung, etwa in der Medizintechnik oder im Bereich der kleinen Sensoren. Um derartige Entwicklungen noch stärker vorantreiben zu können, eröffnet das Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM am 15. März 2016 eine Mikrobatterielinie. 

Die Linie erlaubt die Herstellung von Lithium-Mikrobatterien in verschiedenen Ausführungsformen mit Hilfe von Packagingprozessen der Mikroelektronik unter Argon-Schutzgasatmosphäre. Für viele Anwendungen in der Medizintechnik, kleinste Sensoren oder energieautarke Mikrosysteme sind die auf dem Markt verfügbaren Li-Akkus beziehungsweise Knopfzellen zu groß und nur schwer integrierbar.

Mikrobatterielinie des Fraunhofer IZM / Bildquelle: Fraunhofer IZM

Das Fraunhofer IZM hat eine Technologie entwickelt, mit der sehr kleine Mikrobatterien mit Hilfe von parallelen Prozessen beziehungsweise Wafer-Level-Technologien gemeinsam auf einem Substrat hergestellt werden können. Der Vorteil dieser Technologie liegt vor allem darin, dass die Batterie an die Anwendung perfekt in der Form und Größe angepasst werden kann.

Allerdings bringt die Technologie auch einige Herausforderungen mit sich. Eine davon ist die Herstellung eines hermetisch dichten Gehäuses, denn schon kleinste Mengen von Feuchtigkeit, die durch Gehäuse in die Batterie diffundieren, führen zur ihrer Zerstörung. Trotz der hohen Anforderungen an das Gehäuse soll dennoch eine hohe Energiedichte erzielt werden. Dafür ist es wichtig, dass der Anteil von Gehäusematerial am Gesamtsystem gegenüber dem eigentlichen Aktivmaterial möglichst klein ist. Aus diesem Grund sollen das Gehäuse sowie die Verbindungsstellen so dünnwandig wie möglich gestaltet werden. Aufgrund der Reaktivität des Lithiums muss der gesamte Assemblierungsprozess unter Reinstgasbedingungen in Argonboxen erfolgen.

Am 15. März 2016 eröffnet das Fraunhofer IZM eine über 10 Meter lange Batterieentwicklungs- und Montagelinie, welche die Herstellung kleinster, kundenspezifischer Mikrobatterien mit höchster Präzision ermöglicht. Die Kernkomponenten der Anlage sind:

- ein Präzisionssiebdrucker zum Aufbringen von Batterieelektroden und Lotrahmen zum Gehäuseverschluss

- eine Substrat-Bond-Einrichtung zum Verbinden der Boden- und Deckelsubstrate bzw. Gehäuseverschluss

- eine mikrofluidische Elektrolytfülleinrichung mit der gleichzeitig mehrere hundert Mikrobatterien mit Elektrolyt gefüllt werden können.

Die Anlage wird vom Fraunhofer IZM und der TU Berlin gemeinsam genutzt und findet sofort Anwendung unter anderem in folgenden laufenden Projekten:

Im Projekt Hörkontaktlinse (gefördert durch das BMBF) wird eine erste Produktintegration der Mikrobatterie in ein extrem miniaturisiertes Hörgerät entwickelt. Dieses Hörgerät sitzt direkt auf dem Trommelfell; die Batterie wird mittels Infrarot-Ohrstöpseln aufgeladen.

Im EU-Projekt MATFLEXEND werden neue Flexible Mikrobatterien und Harvester entwickelt werden, die sich besonders gut zur Integration in tragbare Elektronik sowie in Chipkarten eignet. (Im EU-Projekt MATFLEXEND werden mechanisch flexible Mikrobatterien auf der Basis von Elektrodenfasern und druckbaren Polymerelektrolyten sowie elektrophoretisch herstellbare Lithiumelektroden entwickelt.)

Im EU-Projekt ALION sowie im BMBF Projekt AlSiBat wird die Mikrobatterietechnologie genutzt, um flächenhaft angeordnete elektrochemische Testzellen herzustellen, mit denen neue Materialien für zukünftige Batteriesysteme zeitsparend getestet werden können.

http://www.izm.fraunhofer.de