Die Verwendung eines keramischen Festkörpers als Elektrolyt schließt die Gefahr von Brand, Explosion oder Auslaufens von Flüssigkeit aus.

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Solid-State-Akku Besser fest als flüssig

06.03.2019

Ob einfache Gadgets oder komplexe industrielle IoT-Geräte – eine platzsparende, zuverlässige und sichere Stromversorgung benötigen sie alle. Gerade bei der Sicherheit können Akkus mit flüssigem Elektrolyt diese Anforderungen nicht vollständig erfüllen. Besser eignen sich dafür Solid-State-Akkumulatoren. In SMD-Technologie bieten sie noch einmal zusätzliche Vorteile.

Das IoT mit all seinen Facetten wird künftig milliardenfach spezielle Stromversorgungen benötigen, die auf den geringen Leistungsbedarf von Ultra-Low-Power-Halbleitern und Sensoren zugeschnitten sind. Diese Geräte müssen mittels Energy-Harvesting-Technologien über Jahre hinweg unabhängig von externen Stromversorgungen funktionieren. Die Anforderungen an elektrische Speicher sind folglich: geringe Baugröße, Wiederaufladbarkeit, Eigensicherheit, einfache Bestückbarkeit, geringe Kosten und lange Lebensdauer.

Mit den gängigen Technologien lassen sich diese Forderungen nicht alle gleichzeitig realisieren. Für viele Applikationen bietet der Solid-State-Akkumulator Ceracharge von TDK einen Ausweg aus diesem Dilemma. Im Gegensatz zu den meisten gängigen Technologien handelt es sich dabei um einen Akkumulator ohne flüssige Elektrolyte, durch die Lithium-Ionen bei der Ladung oder Entladung wandern. Stattdessen basiert Ceracharge auf einer Vielschicht-Technologie, ähnlich wie Keramik-Kondensatoren.

Durch diese Technologie wird eine relativ hohe Energiedichte auf sehr kleinem Raum mit der Prozesssicherheit bei der Herstellung von Vielschichtbauelementen kombiniert. Zudem ist durch die Verwendung eines keramischen Festkörpers als Elektrolyt die Gefahr von Brand, Explosion oder des Auslaufens von Elektrolytflüssigkeit ausgeschlossen.

1.000 Lade- und Entladezyklen

Ceracharge ist der weltweit erste Akkumulator in SMD-Ausführung. Dadurch ergeben sich weitere Vorteile wie einfache Bestückbarkeit und der Einsatz üblicher Reflow-Lötprozesse, was wiederum die Produktionskosten des Endgeräts senkt.

Verfügbar ist Ceracharge zunächst in der Baugröße EIA 1812 (4,5 mm x 3,2 mm x 1,1 mm). Dabei bietet er eine Kapazität von 100 µAh bei einer Nennspannung von 1,4 V und einem Anfangsinnenwiderstand von unter 200 Ω. Der Nennentladestrom von Ceracharge beträgt 20 µA, wobei er eine Dauerentladung von 1 mA unterstützt.Verglichen mit konventionellen Akkumulatoren oder Batterien bietet Ceracharge einen sehr großen Temperaturbereich von -20 bis 80 °C. Damit eignet er sich zum Beispiel auch für Einsätze im Außenbereich, etwa in Wetterstationen.

Je nach Anforderung können ohne große Einbußen bei den elektrischen Parametern, das bedeutet bis zu 80 Prozent der Ursprungswerte, bis zu 1.000 Lade- und Entladezyklen bewältigt werden. Kurzfristig können etwa bei einem gepulsten Betrieb – zum Beispiel zur Versorgung eines Bluetooth-Moduls beim Senden – auch Ströme in einer Größenordnung von etwa 3 mA/s entnommen werden.

SMD-bestückbarer Akku

Zur Erhöhung der Kapazität und der Spannung können einzelne Ceracharge-Chips beliebig in Serie oder parallel geschaltet werden. Dadurch eröffnet sich ihnen ein sehr breites Spektrum an Einsatzmöglichkeiten, beispielsweise als Backup-Batterie für eine Real-Time Clock (RTC) oder zur Energiebereitstellung für Bluetooth-Beacons zum Senden.

In RTC-Modulen werden zumeist Primärzellen, etwa Knopfzellen, als Batterien eingesetzt. Diese konventionelle Lösung hat jedoch den großen Nachteil, dass die Batterie vom Anwender gewechselt werden muss. Da eine RTC einen VSB-Anschluss enthält, lässt sich dieses Problem mühelos beheben, indem die Primärzelle im RTC-Modul gegen einen Akku, wie Ceracharge, ausgetauscht wird. Für gewöhnlich muss die RTC weniger als eine Stunde hintereinander von der Backup-Batterie mit Strom versorgt werden. Ein Ceracharge kann die RTC-Funktion ohne Wiederaufladen für die Dauer von ein bis zwei Wochen gewährleisten.

BLE-Beacons versorgen

Voraussetzung für das Internet der Dinge (IoT) ist die Möglichkeit, alle Arten von Geräten mit dem Internet zu verbinden. Zurzeit entwickeln sich solarbetriebene Bluetooth-Low-Energy-Beacons (BLE) zur Connectivity-Lösung der Wahl. Sie benötigen nur wenig Platz und verbrauchen nur wenig Energie. Obenstehende Abbildung zeigt ein Ansteuerungsmodell für einen solarbetriebenen BLE-Beacon. In diesem Schaltungsaufbau lädt die Solarzelle zuerst einen MLCC- oder EDLC-Kondensator auf, der die Primärversorgung des BLE-Moduls sicherstellt.

Ceracharge dient als Energiespeicher, um den Kondensator zu laden, wenn die Solarzelle nicht aktiv ist. Er wird mit der überschüssigen Energie geladen, sobald der Kondensator vollständig geladen ist, und entlädt sich in den Kondensator, wenn dieser entladen ist. Das gewährleistet den unterbrechungsfreien Dauerbetrieb des solarbetriebenen Beacons. Die Anzahl der parallel geschalteten Ceracharge-Chips ist von der maximalen Spannung abhängig, mit der das BLE-Modul ohne Solarzelle versorgt werden muss.

Bildergalerie

  • Die Grafik zeigt die typische Temperatur-Charakteristik bei einem konstanten Entladestrom von 20 µA.

    Bild: TDK

  • Solarbetriebene Bluetooth-Low-Energy-Beacons (BLE) erfreuen sich immer größerer Beliebtheit. Ceracharge kann bei ihnen als Energiespeicher dienen, um den Kondensator zu laden.

    Bild: TDK

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