Gedruckte wiederaufladbare Batterien für das IoT

Einführung

Das Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) beruht auf der kontinuierlichen Erfassung von Daten durch ein Netz von Sensoren im Laufe der Zeit. Während einige Sensoren verkabelt sein können, müssen andere von einem Stromnetz entfernt sein und sollten ihre Daten drahtlos erfassen und übertragen können.

Diese drahtlosen Sensoren benötigen eine zuverlässige Stromquelle, die über einen längeren Zeitraum, idealerweise mehrere Jahre, betriebsbereit ist. Eine solche Stromquelle muss kostengünstig und kompakt sein und in den Formfaktor des Sensors passen.

Energiequellen für dünne drahtlose IoT-Sensoren basieren in der Regel auf sperrigen und nicht wiederaufladbaren Batterien oder auf Energy-Harvesting-Systemen, die auf intermittierenden Energiequellen wie Licht, Druck- oder Temperaturschwankungen basieren.

Wiederaufladbare Batterien in Kombination mit einem solchen Energy Harvester wären in diesem Zusammenhang sehr attraktiv, um sowohl die Entladung der Batterie im Laufe der Zeit als auch die unregelmäßige Natur des Energy Harvesters zu kompensieren. Gedruckte Batterien bieten mehrere Vorteile, darunter mechanische Flexibilität, kompakte Abmessungen und niedrige Produktionskosten.

In der Vergangenheit haben mehrere Unternehmen gedruckte Batterien hergestellt und verkauft, aber bis jetzt wurde noch keine wiederaufladbare gedruckte Batterielösung kommerzialisiert. In diesem Artikel stellen wir eine neuartige gedruckte Batterielösung vor, die diese Herausforderung direkt angeht. Wir erörtern ihre Struktur, Funktion, Spezifikationen und die zahlreichen möglichen Anwendungen, die wir für wiederaufladbare gedruckte Batterien vorhersehen.

Gedruckte Batterien

Gedruckte Elektronik ist eine innovative Produktionsmethode, die zahlreiche Vorteile bietet. Sie ist einfach, kostengünstig und umweltfreundlich. Die Bauteile werden mit organischen Tinten aus löslichen Polymeren und Partikeldispersionen gedruckt. Druckverfahren wie Tintenstrahldruck oder Siebdruck ermöglichen die Produktion großer Stückzahlen zu geringen Kosten.

Verschiedene Materialien wie Metalle, Halbleiter oder Dielektrika können als druckbare Tinten ausgewählt und formuliert werden, wodurch eine Vielzahl unterschiedlicher Funktionen erreicht werden kann. Diese Tinten können in großem Maßstab gedruckt, bei relativ niedrigen Temperaturen auf eine Vielzahl flexibler oder starrer Substrate aufgebracht und anschließend in viele Industrie- oder Verbraucherprodukte integriert werden. Die gedruckte Elektronik ist eine Technologie, die sich ideal für die Herstellung von Sensoren auf flexiblen Substraten eignet. Dadurch können sie in Situationen, in denen der Platz für herkömmliche Sensoren fehlt, mit großem Erfolg eingesetzt werden.

Die gleiche Drucktechnik kann auch für die Herstellung von Batterien verwendet werden. Allerdings ist es erst seit kurzem möglich, wiederaufladbare Batterien zu drucken. Diese innovative druckbare Batterietechnologie wurde von Evonik in Zusammenarbeit mit InnovationLab entwickelt. Die Technologie trägt den Namen TAeTTOOz und wurde nun von InnovationLab zur Hochskalierung und Massenproduktion erworben.

Wie es funktioniert

Diese hochmoderne, wiederaufladbare, gedruckte Batterietechnologie basiert auf redoxaktiven Polymeren. Mit herkömmlichen Druckverfahren können dünne, flexible Batterien hergestellt werden, die elektrische Energie speichern können, ohne dass Metalle oder metallische Verbindungen in ihrem Speichersystem erforderlich sind. Wichtig ist, dass die mit der TAeTTOOz-Technologie hergestellten Batteriezellen keinen flüssigen Elektrolyten benötigen, um zu funktionieren, wodurch das Risiko des Auslaufens und die daraus resultierenden Gefahren von vornherein ausgeschlossen sind.

In herkömmlichen Li-Ionen-Batterien (Abbildung 1, links) bewegen sich nur die kleinen Li+-Kationen in einem als "Interkalation" bezeichneten Prozess in und aus den Elektroden auf beiden Seiten der Batterie. Eine Batterie auf Polymerbasis funktioniert anders (Abbildung 1, rechts). Hier bewegen sich während des Zyklus sowohl Anionen als auch Kationen innerhalb des Elektrolyten.

FAbb. 1: Vergleich der Funktionsprinzipien herkömmlicher Li-Ionen-Batterien (links) und TAeTTOOz-Batterien (rechts).

Die Polymerbatterie-Technologie basiert auf redoxaktiven organischen Molekülen (Polymeren), deren Redox-Zustände während der Lade- und Entladephasen reversibel verändert werden können. Im Wesentlichen bedeutet dies, dass das Redox-Polymer sowohl einen Elektronenverlust (Oxidation) als auch einen Elektronengewinn (Reduktion) erfahren kann, wobei beide Prozesse reversibel sind.

TAeTTOOz-Batterien bestehen aus zwei leitfähigen Materialien auf Polymerbasis, die als Kathode und Anode in der Batterie verwendet werden, und einem dritten ionischen Material, das als Festkörperelektrolyt fungiert (Abbildung 2). Die Kathoden- und Anodenmaterialien sind so optimiert, dass sie die von einer externen Stromquelle zugeführten elektrischen Ladungen chemisch speichern. Dies wird durch eine Änderung ihres Redoxzustands bei einer bestimmten Ladespannung während des Ladevorgangs erreicht.

Abbildung 2: Beispiel einer 3D-Struktur einer gedruckten wiederaufladbaren Batterie.

Beim Anlegen einer Entladespannung wird der ursprüngliche Redox-Zustand reversibel wiederhergestellt, und es kann Strom aus der Batterie entnommen werden. Der Festkörperelektrolyt sorgt durch die Ionenbeweglichkeit für einen elektrischen Ladungsausgleich in der Batterie.

Produktion

Die Tinten sind auf Wasserbasis und können nach den spezifischen Bedürfnissen der Kunden formuliert werden. Sie erfordern keine Verwendung von giftigen oder CMR (krebserregenden, mutagenen oder reproduktionstoxischen) Lösungsmitteln. Da diese organischen Tinten ungiftig sind, können die Druckerzeugnisse in den Hausmüll gegeben werden: Wiederaufladbare Batterien, die weggeworfen werden können!

Um den spezifischen Druckanforderungen gerecht zu werden, werden diese Tinten hinsichtlich ihrer Partikelgröße, Stabilität und Rheologie (d. h. Fließeigenschaften) charakterisiert. Kombiniert man diese Tinten mit gedruckten Leiterbahnen auf einem Substrat, können sowohl die Batterien als auch die zugehörigen Lade- und Entladeschaltungen in relativ wenigen Druckschritten gedruckt werden. Als flexible Substrate können Folien aus Polyimid (PI), Polyestern (PET, PEN) oder thermoplastischen Polyurethanen (TPU) verwendet werden.

Durch die interessante Tatsache, dass die Batterie vor dem ersten Aufladen keine Spannung aufweist, sind nachfolgende Produktionsprozesse wie das Bestücken und Platzieren von Bauteilen ohne das Risiko von Überspannungsschäden möglich. Diese Batterien können von Anfang bis Ende auf Standard-Siebdruckmaschinen gedruckt werden, entweder im kontinuierlichen Rolle-zu-Rolle-Verfahren oder im Bogen-zu-Bogen-Verfahren.

Die seitlichen Abmessungen der gedruckten Batterien liegen typischerweise zwischen 1 und 20 cm, und die Gesamtdicke überschreitet nicht 0,5 mm. Diese Batterien können natürlich auch gestapelt, gefaltet oder gerollt werden, um 3D-Objekte für die Integration in bestehende Systeme zu gestalten.

Durch den Einsatz universeller Drucktechniken können kundenspezifische Batterien in verschiedenen Größen hergestellt werden. Die Größe der gedruckten Batterien kann von einigen cm² bis zu mehreren m² variieren, wobei es bei extremen Größen zu gewissen Leistungseinschränkungen kommt.

Anwendungen und Anpassungen

Eine der wichtigsten Anwendungen für die TAeTTOOz-Batterietechnologie ist die Kombination mit einem Sensor oder einem Sensorarray in Verbindung mit einer der verschiedenen Energy-Harvesting-Komponenten, um eine vollständig autonome, selbstversorgte Einheit für IoT-Anwendungen zu schaffen. Dasselbe Prinzip kann auch für Beschilderungen oder andere ähnliche Geräte verwendet werden.

Derzeit laufen mehrere Projekte mit unseren Kunden und Partnern aus Industrie und Wissenschaft, bei denen eine gedruckte wiederaufladbare Batterie mit einem Temperatur- oder Feuchtigkeitssensor, einer Solarzelle, einer gedruckten RF-Antenne oder einem piezoelektrischen Material kombiniert wird. Dieses technologische Konzept wurde bereits erfolgreich bei der Verwendung von gedruckten organischen photovoltaischen (OPV) Solarzellen angewendet und bewährt.

Die technischen Spezifikationen der Batterien werden durch das gewählte Layout bestimmt. Typischerweise werden Batteriekapazitäten von 0,1 bis 0,2 mAh/cm² bei einer Betriebsspannung von 1,2 V erreicht. Die genannte Kapazität und Spannung bestimmen die Zielanwendungen. Offensichtlich sind sie zu niedrig, um helle LEDs oder Heizungen zu betreiben, aber optimal für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch, wie z. B. die Versorgung von Sensoren in Smart Labels und Patches.

Aufgrund des Siebdruckverfahrens besteht völlige Freiheit beim Zellendesign (Abbildung 3), wobei vertikale oder koplanare Designs durchaus möglich sind. Um höhere Spannungen zu erreichen, können mit der Drucktechnik mehrere Zellen in Reihe geschaltet werden (Abbildung 3, rechts). Die Reihenschaltung von zwei Zellen liefert zum Beispiel 2,4 V. Die Anzahl der Druckschritte bleibt bei einem koplanaren Layout konstant und erhöht sich bei vertikal gestapelten Designs.

Abbildung 3: Gestaltungsfreiheit durch Siebdruck am Beispiel eines Peano-Fraktals (links) und eines zweizelligen Batteriedesigns (rechts), bei dem zwei Batteriezellen in Reihe geschaltet sind.

Verlässlichkeit und allgemeine Merkmale

Bislang wurden diese Batterien vor allem in Demonstrationsanlagen und für Forschungs- und Entwicklungszwecke eingesetzt. Die Batterien wurden nun vollständig hinsichtlich ihrer Leistung unter verschiedenen Ladebedingungen charakterisiert, wobei Selbstentladungs- und zyklische Messungen aufgezeichnet wurden. Die erreichte Batteriekapazität nähert sich dem theoretischen Maximum, das mit den verwendeten Materialien erreichbar ist - derzeit liegt sie bei gedruckten Batterien bei etwa 70 % bis 80 %.

Die Leistung und Zuverlässigkeit gedruckter Batterien hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab, darunter die Druckgeometrie, die verwendete Druckmaschine, die resultierende Dicke und Zuverlässigkeit der gedruckten Schicht, die Batteriekonfiguration, das Substrat, die Verkapselung, usw.

Die Zyklenstabilität der Anoden- und Kathodenmaterialien übersteigt 500 Zyklen bei einer Kapazitätserhaltung von über 80 %, wenn sie als Einzelmaterialien in Knopfzellenbatterien verwendet werden. Die Langzeitstabilität hängt entscheidend von der verwendeten Verkapselungstechnologie ab. InnovationLab wird in Kürze weitere Informationen zur Verfügung stellen, sobald der Technologietransfer von Evonik vollständig abgeschlossen ist.

Schlussfolgerung

Gedruckte Batterien sind dünn, leicht und flexibel. Sie können eine kostengünstige Lösung für industrielle drahtlose Sensoren und andere IoT-Anwendungen darstellen. Mit der neuen TAeTTOOz-Technologie können flexible, wiederaufladbare Festkörperbatterien im industriellen Maßstab gedruckt werden, wobei Heidelberg Printed Electronics als Produktionspartner der InnovationLabs fungiert. Diese gedruckten Batterien sind zudem deutlich sicherer und umweltfreundlicher als herkömmliche Batterien auf Metallbasis.

In Kürze wird InnovationLab sowohl die Druckmaterialien als auch das Know-how für das Design, den Druck und die Charakterisierung der gedruckten Batterien liefern. Das Unternehmen wird auch sein eigenes Sortiment an gedruckten Batterien herstellen und an seine Kunden verkaufen, um die Entwicklung und den Einsatz von gedruckten Akkus in der gesamten Industrie zu ermöglichen.

Über uns

InnovationLab ist der Experte für gedruckte und organische Elektronik mit dem Schwerpunkt auf flexiblen gedruckten Drucksensoren. Wir bieten maßgeschneiderte Drucklösungen für die F&E-Herausforderungen unserer Kunden. Unsere Expertise beruht auf einem soliden Verständnis von Materialien, Prozessen und Drucktechnologien, die für die Entwicklung flexibler und hybrider elektronischer Systeme unerlässlich sind. Gemeinsam mit unseren Partnern aus Wissenschaft und Industrie, wie der BASF SE, der SAP SE, der Heidelberger Druckmaschinen AG, dem Karlsruher Institut für Technologie und der Universität Heidelberg, erweitern wir kontinuierlich unser Portfolio im Bereich der gedruckten Elektronik. Unser Clustermanagement koordiniert die agile Community, bestehend aus Partnern vor Ort und im erweiterten Netzwerk.

Wir bieten Dienstleistungen in den Bereichen Forschung & Entwicklung, Pilot- und Industrieproduktion sowie Consulting und Facility Management an. Im Mittelpunkt steht dabei die Begleitung der Kunden von der ersten Idee bis zur industriellen Fertigung ihres Produktes - vom LAB-2-FAB. Wir sind in der Lage, in jedem Entwicklungsstadium einzusteigen und führen die Produkte unserer Kunden entsprechend ihrer individuellen Bedürfnisse zum Erfolg.

Für die industrielle Fertigung haben wir mit der Heidelberger Druckmaschinen AG einen starken Partner an unserer Seite, der an seinem Produktionsstandort Sensoren im 3-Schicht-Betrieb druckt [This is automatically translated from English]