Winzige Batterien und Akkus stellen bis heute eine Herausforderung für die Wissenschaft dar. Problematisch ist vor allem, auf so kleinem Raum eine hohe Energie- und Leistungsdichte zu erzielen. Diese würde es ermöglichen, zum Beispiel winzige Roboter effizient anzutreiben.

Genau das könnte nun Wissenschaftlern der University of Illinois Urbana-Champaign gelungen sein. Das Team kann langlebige und kompakte Lithiumbatterien mit sehr niedrigem Verpackungsanteil und einer hohen Leistungs- sowie Energiedichte vorweisen.

Bei bisherigen Designs für Mikrobatterien dominiert die Verpackung das Batterievolumen, was nur wenig Platz für die Elektrodenfläche lässt. Das wiederum führt zu einer Reduktion in Energie und Leistung des Akkus.

Um mehr Energie und Leistung für die Mikrobatterien zu gewinnen, entwickelte das Forscherteam eine neue Verpackungstechnologie. Diese hat die positiven und negativen Stromkollektoren direkt in der Verpackung verbaut, um Platz zu sparen.

Zusätzlich sind die Elektrodenzellen vertikal in Reihe angeordnet. Das hat den Effekt, dass die Spannung der Zellen addiert wird, wodurch eine hohe Betriebsspannung möglich wird.

Ein weiteres Geheimnis der Leistung der Mikrobatterien sind deren Elektroden. Herkömmliche Elektroden bestehen zu fast 40 Prozent aus Polymer- und Kohlenstoffzusätzen. Die Elektroden des Forschungsteams wurden allerdings speziell für die Mikrobatterien ohne Polymer und Kohlenstoff angefertigt.

Das resultiert in einer höheren Dichte der Elektroden, was wiederum zu mehr Leistung führt.

Arghya Petra, einer der Erstautoren der Studie, fasst das folgendermaßen zusammen: „Bisher waren Elektrodenarchitekturen und Zelldesigns im Mikro-Nano-Maßstab auf leistungsdichte Designs beschränkt, die auf Kosten der Porosität und der volumetrischen Energiedichte gingen. Unsere Arbeit war erfolgreich, eine Energiequelle im Mikromaßstab zu schaffen, die sowohl eine hohe Leistungsdichte als auch eine volumetrische Energiedichte aufweist.“

Mit den neuen Mikrobatterien könnten dann Mikroroboter betrieben werden, die zum Beispiel in Erdbebengebieten unter die Trümmer krabbeln und nach Überlebenden suchen können. Denn mit den neuen Batterien bekommen sie mehr Leistung und eine längere Akkulaufzeit.

Sungbong Kim, ein weiterer Erstautor der Studie, sagt abschließend: „Unsere Arbeit überbrückt die Wissenslücke an der Schnittstelle von Materialchemie, einzigartigen Materialherstellungsanforderungen für energiedichte planare Mikrobatteriekonfigurationen und angewandter Nanomikroelektronik, die eine bordeigene Hochspannungsstromquelle zum Antreiben von Mikroaktuatoren und Mikromotoren erfordert.“