Peakströme für Wireless-IoT-Labels: Dünnschicht-Festkörperbatterien im Vorteil

Moritz Futscher: Ein großes Learning war für uns, dass wir als Wissenschaftler normalerweise ständig optimieren: neue Ideen testen, Verbesserungen ausprobieren, auch mal einen Schritt vor und zwei zurück gehen, um am Ende besser zu werden.

Als Start-up funktioniert diese Logik aber nur begrenzt. Wir können es uns nicht leisten, laufend neue Ansätze einzuführen, die uns in der Zeitplanung wieder zurückwerfen. Stattdessen müssen wir das bestehende Produkt gezielt verbessern – und zwar mit den Materialien und Prozessen, die wir idealerweise bereits haben. Der Fokus liegt darauf, zu skalieren und zu optimieren, nicht darauf, immer wieder neu zu erfinden.

Das bedeutet, wir haben viele weitere Ideen, die wir später noch umsetzen könnten. Aber wir müssen uns aktiv zurückhalten und sie bewusst nicht verfolgen, um konzentriert zu bleiben – damit wir schnell belastbare Ergebnisse liefern.

Jeronimo von Ah: Aktuell arbeiten viele Elektronikhersteller an den nächsten Gerätegeneration, welche besser vernetzt, langlebiger und kleiner sein werden als alle bisherigen. Solche Geräte brauchen eine Hochleistungs-Energieversorgung im Mikroformat.

Außerdem ist bei vielen dieser Geräte Energy Harvesting fest eingeplant. Sobald Energie aus der Umgebung gewonnen wird, braucht das System fast immer einen Puffer – also einen Speicher, der Energie zwischenspeichert, Lastspitzen abfängt und Phasen ohne verfügbare Umgebungsenergie überbrückt. Genau dafür sind wiederaufladbare Lösungen wie unsere Batterien gefragt.

Unter Energy Harvesting versteht man die Gewinnung kleiner Energiemengen aus der Umgebung (z.B. Licht, Funk, Temperaturdifferenzen oder Vibration), um Systeme teilweise oder zeitweise zu versorgen. Welche Methode passt, hängt stark vom Einsatzort, dem Leistungsbedarf und den Systemkosten ab. Für Labels sind Solarpanels oft besonders attraktiv, weil sie sehr dünn, gut integrierbar und kostengünstig sind.

Jeronimo von Ah: Aktuell entwickeln wir Kapazitäten bis zu 10 mAh. Diese Batterien erreichen Entladeraten bis zu 60C, was bedeutet, dass bis zu 600 mA Pulsströme möglich sind.

Die C-Rate beschreibt dabei, wie viel Strom ein Akku bezogen auf seine Nennkapazität liefern kann – „C“ bedeutet hier immer pro Stunde: 1C heißt theoretisch in 1 Stunde entladen/geladen, 2C in 0,5 h, 60C in 1/60 h (= 1 Minute). Der Strom I (Stromstärke) ergibt sich aus:

I = C-Rate × Kapazität (in Ah)

Bei 10 mAh (= 0,01 Ah) und 60C entspricht das I = 60 × 0,01 A = 0,6 A, also bis zu 600 mA.

Diese 600 mA sind als Puls-/Peakstrom zu verstehen: Pulsströme sind kurzzeitige Stromspitzen (z.B. beim Funksenden), die über Pulsdauer und oft einen Tastgrad (Duty Cycle) spezifiziert werden – also den Anteil der Zeit, in der der Puls anliegt (Pulsdauer / Wiederholperiode). „Peakstrom“ wird häufig synonym für den maximalen Pulsstrom verwendet.

Die Zyklenfestigkeit liegt bei etwa 1.000 Zyklen. In Zukunft planen wir zudem wesentlich höhere Kapazitäten.

Moritz Futscher: Immer wieder hört man im Markt die Aussage, Batterien seien „kein guter Weg“ und langfristig nicht die Zukunft – gerade im Vergleich zu Energy-Harvesting-Ansätzen, also Produkten, die zum Beispiel über kleine Solarzellen versorgt werden und sich als „battery-free“ positionieren. Solche Claims sind verständlich, weil die Vorteile auf den ersten Blick groß wirken: weniger Wartung, weniger Abfall, ein klares Nachhaltigkeitsnarrativ.

Gleichzeitig greift diese Sicht zu kurz. Denn viele Anwendungen brauchen in der Praxis trotz Energy Harvesting ein Speicherelement, um Ausfälle und Schwankungen abzufedern – etwa nachts, in Innenräumen oder bei Verschattung. Dieses Speicherelement kann zwar auch ein Kondensator sein, aber oft reicht ein Kondensator nicht aus, wenn Energie über längere Zeit vorgehalten oder Lastspitzen zuverlässig abgedeckt werden müssen.

Der zentrale Punkt ist nicht, „Batterie ja/nein“, sondern welche Art von Batterie und für welchen Zweck. Heute sind insbesondere Primär-Knopfzellen ein massives Problem. Sie werden in sehr großen Stückzahlen eingesetzt und weggeworfen. Genau hier setzen wiederaufladbare, sehr kleine Speicherlösungen an.

Festkörper-Dünnschichtbatterien sind in diesem Kontext relevant, weil sie wiederaufladbar sind, sich sehr klein integrieren lassen und – je nach Aufbau – mit anderen Material- und Sicherheitsprofilen arbeiten als klassische Zellen. Ziel ist nicht, jede Energieversorgung zu ersetzen, sondern eine konkrete Abfall- und Austauschlogik (Primärzellen) in geeigneten Anwendungen abzulösen.

Jeronimo von Ah: Das mag oberflächlich betrachtet stimmen. In Wirklichkeit entstehen aber verschiedene Produktklassen mit unterschiedlichen Nischen. Energy Harvesting ist dort effizient, wo Licht aus der Umgebung zuverlässig verfügbar ist und die Leistung ausreicht. Dünnschicht-Festkörperbatterien sind interessant, wenn Planbarkeit, Integration, Lebensdauer, Baugröße und Wiederaufladbarkeit entscheidend sind – und in den Bereichen, in denen man Primärzellen realistisch ersetzen kann.

Beide Ansätze sind eine reale Antwort auf ein sehr konkretes Problem, nämlich Kleinstbatterien, die massenhaft weggeworfen werden. Energy Harvesting ist ein starker Ansatz – aber nicht automatisch ein Ersatz für Speicher. Am Ende wird es sehr wahrscheinlich mehrere Wege geben, die nebeneinander bestehen, weil sie unterschiedliche Anforderungen im Endprodukt bedienen.

Jeronimo von Ah: Bei Autoklavierung geht es nicht nur um „kurz warm“, sondern um wiederholte Zyklen aus Temperatur, Druck und Feuchtigkeit. Klassische Batterien – gerade kleine Zellen, Knopfzellen oder Li-Ion-Pouches – sind dafür oft nicht ausgelegt.

Festkörper-Dünnschichtbatterien sind hier attraktiv, weil sie ohne flüssigen Elektrolyten auskommen und schichtweise, hermetisch integrierbar sind. Dadurch sind sie thermisch robuster und sich so auslegen lassen, dass sie solche Steri-Zyklen eher überstehen – was für sterile Sensorik, Tracker oder smarte Medizinprodukte ein echter „Enabler“ sein kann.

Unsere Batterie hat keinen flüssigen Elektrolyt. Dies ermöglicht es, dass bei Temperaturen von bis zu 150 °C zuverlässig Energie geliefert wird und dies über viele Zyklen hinweg.

Natürlich gibt es wie bei allen Batterien über die Zeit Degradation und diese wird bei sehr hohen Temperaturen etwas beschleunigt. Wie genau die Performance nach 100 Zyklen bei hohen Temperaturen ist, hängt allerdings von sehr vielen Faktoren ab.

Moritz Futscher: Ja, grundsätzlich lässt sich ein Label, wenn es mit einer Batterie ausgestattet ist, auch mit einem Display kombinieren – das ist vor allem mit sehr dünnen, teilweise sogar flexiblen Anzeigen wie E-Ink interessant. Solche Displays benötigen zwar Energie, haben aber einen großen Vorteil, da sie im Sleep Mode extrem wenig Strom verbrauchen. Sie können eine erzeugte Abbildung halten, ohne dass dauerhaft viel Energie fließt. Energieintensiv wird es erst dann, wenn das Bild aktualisiert wird – denn dafür braucht es kurze, hohe Leistungs- bzw. Stromspitzen.

Genau hier stoßen traditionelle Batterien häufig an Grenzen. Sie können diese Power Peaks nicht liefern oder müssen dafür überdimensioniert werden, was das Label größer, dicker und teurer macht. Mit Festkörper-Dünnschichtbatterien kann man dieses Problem adressieren, weil sie nicht nur den passenden Formfaktor – sehr dünn und gut integrierbar – mitbringen, sondern auch bei den Stromspitzen eine Art Zwischenposition zwischen Superkondensator und Batterie einnehmen.

Dadurch lassen sich deutlich höhere Peak-Ströme bereitstellen – in der Größenordnung von 20–30× gegenüber klassischen Batterien – und damit kann man Displays wie E-Ink zuverlässig umschalten, ohne die Batterie unnötig groß auslegen zu müssen.