3600 Zeichen

Druck | Leserbrief | Weitermailen | Heft bestellen | Forum

Je kleiner elektronische Komponenten werden, desto größer wird die Nachfrage nach ähnlich kleinen Stromquellen. Forscher am MIT haben nun einen wichtigen Fortschritt bei der Herstellung solcher mikroskopischen Batterien gemacht. Sie setzen ein Virus ein, um Anoden auf Elektrolytschichten anzuordnen – zwei der drei Hauptkomponenten eines funktionierenden Kleinstakkus. Das Ergebnis wurde bereits mit einer ladungssammelnden Schicht verbunden. Die einzelnen Komponenten sind nur vier Mikrometer breit und könnten beispielsweise in "Lab on a Chip"-Anwendungen oder anderen medizinischen Geräten Verwendung finden.

Die Herstellung mikroskopischer Batterien gelang bislang noch nicht, weil mit der Miniaturisierung auch der Anteil des elektrochemisch aktiven Materials reduziert wird. Ein weiterer Trend in der Elektronik ist es, Komponenten auf flexiblen oder gebogenen Oberflächen aufzubringen. Dazu müsste auch die Stromversorgung angepasst werden. Die MIT-Studie legt nahe, dass zuverlässige Batterien sowohl in mikroskopischer Größe als auch integriert in eine Reihe von Oberflächen möglich sein dürften.

"Neu an dieser Untersuchung ist sowohl die Größe der Batterieelektroden als auch der Prozess, mit dem sie positioniert wurden", sagt Angela Belcher, Professorin für Materialwissenschaften am MIT, die mit ihren Kollegen Yet-Ming Chiang und Paula Hammond an dem Projekt arbeitete. Das Team begann damit, kleine Säulen mit einer Breite von vier Mikrometern und einer Höhe von einigen Mikrometern in eine Silizium-basierte Oberfläche zu ätzen, die als Stempel diente. Anschließend wurden abwechselnd Schichten zweier unterschiedlicher Polymere aufgebracht, die als festes Elektrolyt und Batterieunterteiler dienen und auf den Säulen sitzen.

Anzeige

Der nächste Schritt war ganz neu: Ein Virus namens M13, das die Forscher bereits in früheren Studien für Selbstbau-Materialien verwendeten, wurde zur Anodenherstellung eingesetzt. Das Virus besteht aus Proteinen, die sich genetisch so verändert lassen, dass sie mit unterschiedlichen Substanzen reagieren. In diesem Fall generierte es strukturiere Cobaltoxid-Nanodraht-Ansammlungen auf dem festen Elektrolyt. Die fertig gestellten Elektroden wurden dann umgedreht und in dünne Bänder aus Platin gepresst, die an einem Kupferkontakt hingen, um den Strom abzunehmen.

Die Forscher testeten die Leistungsfähigkeit der Komponente mit Hilfe einer Lithiumfolie und stellten dabei fest, dass die Elektrodenqualität im Vergleich zu früheren Experimenten mit größeren Bauteilen unverändert blieb. Laut Belcher hat die Cobaltdoxid-Anode zudem eine wesentlich höhere Speicherkapazität als Kohlenstoff-basierte Elektroden, die normalerweise in Lithium-Ionen-Batterien sitzen. Stabil genug für Lade- und Entladevorgänge sei sie ebenfalls. Die Energiedichte des aktiven Materials ist ebenfalls größer als bei herkömmlichen Batterien.

Andere Vorteile des Aufbaus mit Hilfe eines Virus: Die Technik arbeitet bei Raumtemperatur und ermöglicht eine präzise Kontrolle über die Größe und die Anordnung der Nanomaterialien. Das Endergebnis bleibt stets einheitlich und nachvollziehbar. Das nächste Ziel von Belcher und Team: Sie wollen eine Viren-geschaffene Kathode erzielen, um die Batterie zu vervollständigen. Experimente mit verschiedenen Materialien und erste Herstellungsversuche mit Kathoden in größerem Maßstab stimmen die Forscher positiv, dass das bald klappt. In Zukunft könnten so auch Batterien entstehen, die eine noch höhere Energiedichte besitzt. Und eine Biokompatibilität ist ebenfalls angedacht.

3600 Zeichen

Druck | Leserbrief | Weitermailen | Heft bestellen | Forum