Wie funktionieren Dünnschichtbatterien?
Der Verdienst für die Entwicklung von Dünnschichtbatterien geht an ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Dr. John Bates. Sie forschten über ein Jahrzehnt am Oak Ridge National Laboratory an der Entwicklung einer Dünnschichtbatterie. Herkömmliche Batterien sind sperrig und nicht flexibel, sodass sie nicht für den Einsatz bei beengten Platzverhältnissen geeignet sind. Ein weiterer Faktor ist das für herkömmliche Batterien recht niedrige Verhältnis von Energie zu Gewicht.
Merkmale, die für Dünnschichtbatterien spezifisch sind, sind die Festkörperkonstruktion. Sie können in jeder Form oder Größe hergestellt werden und sind unter allen Betriebsbedingungen absolut sicher. Diese speziellen Batterien können auch in einem größeren Betriebstemperaturbereich verwendet werden. Dünnschichtbatterien können aufgrund ihrer Vollfestkörper-Bauweise problemlos Temperaturen von bis zu 280 Grad Celsius oder 586 Grad Fahrenheit standhalten.
Dies macht es möglich, Dünnschichtbatterien zusammen mit anderen elektronischen Bauteilen in einem Lötmittelrückflussprozess zum Zusammenbau elektronischer Schaltungen zu löten. In diesem Prozess werden alle Komponenten auf eine Temperatur erwärmt, bei der Lot typischerweise schmilzt und fließt, um jede Komponente mit der Leiterplatte zu verbinden. Da diese Temperatur zwischen 250 und 280 Grad Celsius und 482 und 586 Grad Fahrenheit liegt, können herkömmliche Batterien, die organische flüssige Verbindungen enthalten, nicht überleben und müssen daher manuell nachgefüllt werden, nachdem die Baugruppe abgekühlt ist. Diese einzigartige Eigenschaft von Dünnschichtbatterien hat ihnen den Namen Elektronikbatterie eingebracht.
Der Aufbau einer Dünnschichtbatterie ist sehr einfach. Unterschiedliche Schichten werden durch Aufdampfen oder Sputtern abgeschieden, ein in der Halbleiterindustrie gebräuchliches Verfahren. Die Kathode ist in der Regel großflächig und oben mit einer Elektrolytschicht bedeckt, über der sich die Anode abscheidet. Die Elektrolytschicht isoliert die gesamte Kathode von der Anode. Eine Unterlage oder ein Substrat auf der Unterseite und eine Verpackung auf der Oberseite schützen die Batterie vor Beschädigung. Je nach Untergrund und Verpackungsart kann die Gesamtdicke der Batterie 0,35 mm bis 0,62 mm betragen. Da die Batterie in jeder Form und Größe hergestellt werden kann, können bestimmte Raum-, Energie- und Leistungsfähigkeiten angestrebt werden.
Eine Elektronikbatterie kann aufgrund der guten Kathodenausnutzung Strom mit hohen Stromdichten liefern. Die Stromdichte und damit die Entladekapazität sind abhängig von der Fläche der Kathode. Bei einer guten Kathodengröße kann die Dünnschichtbatterie eine hohe Energieabgabe bei einer bestimmten Entladerate aufweisen.
Ein praktisches Beispiel für eine Dünnschichtbatterie ist eine Lithiumbatterie. Die Anode ist metallisches Lithium mit einer Lithiumkobaltoxidkathode. Diese Anordnung ermöglicht wiederaufladbare Batterien, auf die bis zu 4,2 Volt geladen werden können und die wiederholt bis zu 3,0 Volt entladen werden können. Die Kapazität von Lithium-Ionen-Batterien wird als die Strommenge ausgedrückt, die die Batterie in einer bestimmten Zeit in Stunden liefern kann, und mit AH oder mAH bezeichnet. Die Energie von Dünnschichtbatterien ergibt sich aus dem Produkt der Spannung und der von ihr gelieferten Ladung, ausgedrückt in WH oder mWH.