Flussbatterie für Computerchips

  • 15. March 2017

Winziges Modul soll elektronische Komponenten mit Energie versorgen und zugleich Wärme abführen.

Forschende der ETH Zürich und von IBM Research in Rüsch­likon haben eine winzige Fluss­batterie geschaffen. Damit könnten künftig Computer­chip-Stapel, bei denen einzelne Chips platzsparend übereinander­gelegt werden, mit Energie versorgt und gleichzeitig gekühlt werden. Bei einer Fluss­batterie wird mit einer elektro­chemischen Reaktion Strom aus zwei flüssigen Elektro­lyten gewonnen. Diese werden von aussen über einen Leitungs­kreislauf in die Batterie-Zelle gepumpt.

Abb.: In künftigen Computern könnten dreidimensionale, gestapelte Chips zum Einsatz kommen. Flussbatterien könnten sie mit Energie versorgen und gleichzeitig kühlen. (Bild: IBM Research Zurich)

Abb.: In künftigen Computern könnten dreidimensionale, gestapelte Chips zum Einsatz kommen. Flussbatterien könnten sie mit Energie versorgen und gleichzeitig kühlen. (Bild: IBM Research Zurich)

„Die Chips werden quasi mit einem flüssigen Treib­stoff betrieben und produ­zieren daraus ihren eigenen Strom“, sagt Dimos Pouli­kakos von der ETH Zürich. Weil die Wissen­schaftler zwei Flüssig­keiten verwenden, von denen bekannt ist, dass sie sich sowohl als Fluss­batterie-Elektrolyte als auch als Kühlmittel eignen, kann über denselben Kreislauf auch über­schüssige Wärme vom Chip-Stapel abgeführt werden. Die von den Wissen­schaftlern konstruierte Batterie ist etwa 1,5 Millimeter dünn. Die Idee wäre, Chip-Stapel schicht­weise zu bauen: ein Computer­chip, darüber die dünne Batterie-Mikro­zelle, die den Chip mit Strom versorgt und kühlt, dann der nächste Computer­chip und so weiter.

Bisherige Fluss­batterien sind riesig und vor allem als Groß­speicher im Einsatz, etwa im Verbund mit Wind- und Solar­kraftwerken, um dort vorüber­gehend die produzierte Energie zu speichern, damit sie zeit­versetzt genutzt werden kann. „Wir sind die ersten Wissen­schaftler, die eine so kleine Fluss­batterie bauen, um damit Strom­versorgung und Kühlung zu kombi­nieren“, sagt Doktorand Julian Mar­schewski. Außerdem ist die Leistung der neuen Mikro­batterie bezogen auf ihre Größe rekord­verdächtig hoch: Pro Quadrat­zentimeter Batterie­fläche beträgt sie 1,4 Watt. Zieht man davon die Leistung ab, welche benötigt wird, um die flüssigen Elektro­lyte zur Batterie zu pumpen, resultiert als Netto­leistungs­dichte immer noch ein Watt pro Quadrat­zentimeter.

3D-gedruckte Polymer-Kanalwände: Der flüssige Elektrolyt fließt in den Vertiefungen. Die vergrösserte Aufnahme zeigt einen 3 x 4 Millimeter grossen Ausschnitt. (Bild: Marschewski et al., Energy and Env. Sci. 2017)

Abb.: 3D-gedruckte Polymer-Kanalwände: Der flüssige Elektrolyt fließt in den Vertiefungen. Die vergrösserte Aufnahme zeigt einen 3 x 4 Millimeter grossen Ausschnitt. (Bild: Marschewski et al., Energy and Env. Sci. 2017)

Wie die Forscher im Experiment zeigten, sind die Elektrolyt-Flüssig­keiten tatsächlich in der Lage, einen Chip zu kühlen: Sie können sogar ein Viel­faches der Wärme­energie abführen als die Batterie elek­trische Energie umsetzt. Die größte Heraus­forderung beim Bau der neuen Mikro-Fluss­batterie war der fili­grane Aufbau, um das Modul möglichst effizient mit Elektro­lyten zu versorgen und die Pump­leistung gleich­zeitig gering zu halten. „Es galt, den optimalen Kompro­miss zu finden“, so Marschewski. Die elektro­chemischen Reaktionen in der Batterie finden in zwei dünnen und porösen Elek­troden-Schichten statt, die durch eine Membran getrennt sind. Marschewski und seine Kollegen kon­struierten mittels 3D-Druck ein Polymer-Kanal­system, um die Elektrolyt­flüssigkeit möglichst effizient in die poröse Elektroden­schicht zu pressen. Am geeignetsten erwies sich dabei eines aus kegel­förmig zusammen­laufenden Kanälen.

Die Wissen­schaftler haben nun einen ersten Machbarkeits­nachweis für die Konstruktion einer kleinen Fluss­batterie geliefert. Obschon die Leistungs­dichte der neuen Mikro-Fluss­batterie sehr hoch ist, reicht der damit produ­zierte Strom aber noch nicht ganz aus, um damit einen Computer­chip zu betreiben. Damit die Fluss­batterie in einem Chip-Stapel eingesetzt werden kann, muss sie von Industrie­partnern noch weiter optimiert werden. Wie die Wissen­schaftler betonen, ist der neue Ansatz auch für weitere Anwendungen interessant, zum Beispiel für Laser. Denn auch diese müssen mit Energie versorgt und gekühlt werden. Oder für Solar­zellen: Der produzierte Strom könnte direkt in der Zelle gespeichert werden und später bei Bedarf bezogen werden. Gleich­zeitig könnte das System die Betriebstemperatur der Solarzelle optimal halten. Außer­dem könnten mit dem optimierten Ansatz, die Elek­trolyt-Flüssig­keiten durch die poröse Elektroden zu treiben, auch Gross-Fluss­batterien verbessert werden.

ETHZ / JOL

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