Batteriegrundlagen: Ein umweltfreundlicher Wandel

Wenn Sie diesen Beitrag lesen, haben Sie mit großer Wahrscheinlich in einem Haushalt gelebt, in dem immer eine Packung AA-Batterien griffbereit war, die Sie für Ihre Digitalkamera und Ihren Nintendo Gameboy benötigten. Sie können sich sicherlich auch daran erinnern, dass Sie oder Ihre Eltern diese kleinen runden Knopfzellen für Ihre Armbanduhren kaufen mussten. Auch heute sind diese Batterien noch Teil unseres Lebens. Wir nutzen sie in ferngesteuertem Spielzeug, in Rauchmeldern, Laptops, Tablets und Smartphones. Es gibt aber auch neue Einsatzbereiche für Batterien, die auf Markttrends basieren, bei denen es vorrangig um eine sichere Entsorgung geht. CGM-Patches für Blutzuckermessgeräte, Smart-Label im Versandwesen und Bankkarten mit wechselnden Sicherheits-PIN-Anzeigen sind nur einige Beispiele für die neuen Anwendungen für Batterien, bei denen die sichere Entsorgung die größte Rolle spielt.

Primär- und Sekundärzellenbatterien

Warum schauen wir in die Vergangenheit und in die Zukunft? Wenn Ihnen die früheren und neuen Anwendungen für Batterien bekannt vorkommen, haben Sie sicherlich schon von den beiden wichtigsten Batteriekategorien gehört: die primären und sekundären Batterien. Primärzellenbatterien sind nicht aufladbare Batterien. Beispiele dafür sind die AA-Batterien, die in Ihrer alten Digitalkamera verwendet wurden, oder die CR2032-Knopfzelle, die in der Armbanduhr Ihres Vaters zum Einsatz kam. Die Lithium-Ionen-Batterie (Li-Ion) in Ihrem Smartphone ist dagegen wiederaufladbar. Wiederaufladbare Batterien werden als Sekundärzellenbatterien bezeichnet. Zusammenfassung:

• Primärzellenbatterien: nicht wiederaufladbar, z. B. Alkali- und Lithium-Batterien
• Sekundärzellbatterien: wiederaufladbar; z. B. Lithium-Ionen- (Li-Ion), Nickel-Cadmium- (NiCd), Nickel-Metallhydrid-Batterien (NiMH) usw.

Beide Arten von Batterien bieten eine hohe Leistung bei einer kleinen Größe. Aber beide sind auch mit Nachteilen in Bezug auf Leistung und Umweltschutz verbunden. So bieten Primärzellenbatterien aus Lithium seit jeher eine höhere Energiedichte als ihre wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Pendants. Allerdings müssen sie nach einem Einsatz entsorgt werden (Sciencing). Aufgrund der möglichen Wiederaufladung scheinen Sekundärzellenbatterien auf den ersten Blick umweltfreundlicher, allerdings müssen auch sie wegen ihrer nachlassenden Wirksamkeit nach einigen Aufladevorgängen entsorgt werden.

Einweg-Dünnschichtbatterien: eine nachhaltige Alternative

(Bildquelle: Molex)

Es gibt viele verschiedene Unterkategorien und Arten von Batterien, aber nur eine wird aufgrund des wachsenden Internet der Dinge (IoT), der zunehmenden Anzahl von Wearables und Umgebungssensoren immer beliebter: die flexible, gedruckte Dünnschichtbatterie (IDTechEx). Der Einfachheit halber konzentrieren wir uns auf die allgemeine Kategorie der flexiblen, gedruckten Dünnschichtbatterien, die auch als Festkörper-Dünnschichtbatterien bezeichnet werden. Diese Bezeichnung weist bereits darauf hin, um welche Art Batterie es geht. Bei Festkörper-Batterien ist der Name Programm: Sie beinhalten ein festes Innenleben – ohne Gel und Flüssigkeiten (Qnovo). Dünnschichtbatterien werden aus sehr dünnen Materialschichten oder -folien entwickelt und hergestellt. Aufgrund ihres dünnen Designs bleiben sie flexibel und kommen häufig auf dem Wearable-Sensorik-Markt zum Einsatz. Der vom Markt geforderte dünne Formfaktor und die Flexibilität werden von diesen Festkörper-Dünnschichtbatterien erfüllt. Häufig werden sie jedoch mit Lithium-basierten oder anderen Chemikalien hergestellt, wodurch sie eine potenziell toxische Gefahr für die Umwelt darstellen.

Der weit verbreitete Einsatz und die Toxizität bestimmter Batterien werden dann problematisch, wenn wir die riesige Anzahl entsorgter Batterien pro Jahr betrachten. Die steigende Nachfrage nach elektronischen Geräten sorgt dafür, dass Laptops, Smartphones usw. einen immer größeren Anteil am jährlich entsorgten Müll ausmachen (Sciencing). Batterien sind im Allgemeinen nicht biologisch abbaubar. Wenn sie achtlos entsorgt werden, besteht die Gefahr, dass toxische Metalle und Chemikalien in den Boden gelangen. Viele Länder haben inzwischen Vorschriften für die Entsorgung von Batterien und entsprechende Recycling-Programme umgesetzt. Dank dieser Programme können die aus den Batterien entnommenen Metalle wiederverwertet und die negativen Auswirkungen der Batterieentsorgung auf die Umwelt eingedämmt werden.

Die Vorschriften für die Entsorgung von Batterien sorgen in Verbindung mit dem steigenden Bedarf in Bezug auf Betrieb und Vernetzung weiterer Geräte mit dem Internet der Dinge dafür, dass Unternehmen Alternativen zu gefährlichen Batteriechemikalien suchen, die sicher und nachhaltig sind. Die neuen Dünnschichtbatterien von Molex sind eine solche Lösung. Im Gegensatz zu ihren Lithium-Pendants werden diese Batterien mit Zink-Mangan-Dioxid entwickelt. Sie sind damit sicherer und können vom Endanwender bequemer entsorgt werden.

Vorteile durch Molex

Das Internet der Dinge hat dazu beigetragen, Anwendungen für die drahtlose Übertragung weiter zu verbreiten, wie z. B. tragbare Sensorgeräte und intelligente Etiketten mit Energieversorgung. Viele gedruckte Batterien können jedoch nicht den für die drahtlose Datenübertragung erforderlichen Spitzenstrom liefern. Molex stellt sich dieser Herausforderung und bietet Dünnschichtbatterien an, die diese Spitzenstromanforderungen erfüllen. Darüber hinaus sind die Batterien flach, flexibel und sicherer zu entsorgen als lithiumbasierte Batterien. Die Dünnschichtbatterien von Molex bieten mehrere einzigartige Eigenschaften und Vorteile. Das Unternehmen lizenziert eine einzigartige Technologie, die es ermöglicht, die Anode und die Kathode auf der gleichen Ebene zu fertigen. Diese vertikale Konstruktion ermöglicht einen geringeren Innenwiderstand und einen kleineren Footprint. Ein Kritikpunkt an lithiumbasierten Stromquellen ist die Gefahr der Selbstentzündung bei unvorsichtigem Umgang. Im Gegensatz dazu sind die Dünnschichtbatterien von Molex unter normalen Lager- und Betriebsbedingungen stabil. Sie gelten als nicht gefährlich und können im normalen Stadtmüll entsorgt werden. Diese Batterien bieten zudem auch einen höheren Spitzenstrom und eine höhere nutzbare Kapazität als Batterien mit ähnlicher chemischer Zusammensetzung, was für Geräte, die drahtlos Daten erfassen oder übertragen, wichtig ist. Der dünne und flexible Formfaktor der Batterien ermöglicht es, sie über gekrümmte Oberflächen zu biegen, damit sie in eine Vielzahl von Produkten passen und die Designflexibilität erhöhen. Schließlich sind die Batterien in einer 1,5V- und 3V-Konfiguration erhältlich und eignen sich aufgrund der oben genannten Eigenschaften ideal für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch und einmaliger Verwendung.

Dünnschichtbatterien in der Praxis

Anwendungsfälle aus der Praxis können besser verdeutlichen, in welchen Anwendungen Merkmale wie ein geringes Profil, Flexibilität, Entsorgungsfähigkeit und eine geringe Grundfläche geschätzt werden und wo wir von einem weiteren Wachstum des Dünnschichtbatteriemarktes ausgehen können. Die Nutzung von Dünnschichtbatterien in intelligenten UHF-Temperatur-Tags ist ein besonders interessanter Anwendungsfall. Diese Tags sind etwa so groß wie eine Kreditkarte und ein wenig dicker als standardmäßiges Kopierpapier. Sie werden in der Kühlkettenlogistik zur Überwachung von temperaturempfindlichen Produkten verwendet. Diese intelligenten Temperatur-Tags beinhalten verschiedene Technologien. Dazu gehören RFID, intelligente Temperaturerfassung und gedruckte Dünnschichtbatterien für die genaue Messung der Zeit und Temperatur beim Transport und der Lagerung von Produkten (Enfucell).

Der experimentelle Einsatz von Dünnschichtbatterien findet in den Märkten für Verbrauchergüter, Kosmetik und medizinischen Produkten statt. Bei der elektrischen Augenmaske kommt es zur Überschneidung von Verbraucher- und Kosmetikmarkt. Diese Maske beinhaltet eine Mikrostromkomponente, die eine flexible gedruckte Batterie, Elektroden, Klebeband und ein Abdeckblatt umfasst (Enfucell). Wird der Patch auf die Haut gesetzt, entsteht sofort eine Stromschleife, und das Kosmetikum fließt von den aktiven Elektroden in der Maske in die Haut (Enfucell). Elektronische Wearables und Überwachungsgeräte für den Sportbereich sind weitere Verbrauchmarktanwendungen von Dünnschichtbatterien. Ein Beispiel dafür ist der energiearme Bluetooth-Sensor-Patch (BLE), der an der Seite eines Golfschlägers angebracht wird, um die Beschleunigung und Winkelgeschwindigkeit zu messen (Enfucell). Medizinische Anwendungen für einmalig einsetzbare Dünnschichtbatterien beinhalten Geräte für die Diagnostik, Therapie und Überwachung von Patienten.

In den letzten 200 Jahren ist die Entwicklung neuer und verschiedener Batterietypen schnell vorangeschritten, um den immer stärker steigenden Energiebedarf vieler Geräte und Anwendungen zu stillen, die wir tagtäglich im Einsatz haben. In der letzten Zeit sind Unternehmen dazu übergegangen, Batterien aus Materialien zu entwickeln, die reichlich vorhanden, nachhaltig und sicher für Umwelt und Menschen sind. Gedruckte, flexible Dünnschichtbatterien mit organischen Chemikalien wie Zinkmagnesiumdioxid (in diesem Video dargestellt) und damit verwandten Chemikalien sind ein klares Anzeichen dafür, dass zukünftige Batterien umweltfreundlicher werden. Erste Versuche mit dem Einsatz und der Fertigung von Produkten, die mit Dünnschichtbatterien betrieben werden, konnten auf den Märkten für industrielle Anwendungen, für das Internet der Dinge, Verbraucherprodukte und medizinische Produkte erfolgreich abgeschlossen werden. Die Entwicklung muss jedoch fortgesetzt werden, damit die Kapazität gesteigert werden kann und die Herstellung dieser Batterien vereinfacht wird. Eine wichtige Frage treibt die Entwickler an: Wo können wir Dünnschichtbatterien als Nächstes einsetzen?