De ontwikkeling van batterijen heeft de laatste twintig jaar een behoorlijke vlucht genomen. Dat heeft zo zijn redenen. De opwekking van duurzame energie door wind, water of bio-energie is minder stabiel dan de gebruikelijke kolen- of gascentrales. De opslag van elektriciteit is daarom noodzakelijk om van alternatieve energie een betrouwbaar product te maken. Een andere aanleiding is de enorme groei van consumentenelektronica waar de trend vooral draadloos en draagbaar is. In grotere toepassingen, zoals hybride auto’s, is de rol van elektriciteitsopslag (lees: batterijen) cruciaal voor de ontwikkeling van duurzaam rijden. Al met al krijgt de batterij als energiebuffer en energiebron een grotere invloed op het dagelijkse leven.

Samen met deze grote(re) applicaties worden ook kleinere autonome toepassingen steeds belangrijker. Denk hierbij aan minuscule sensoren of medische implantaten die autonoom moeten kunnen functioneren en dus hun eigen energie moet genereren en opslaan. Omdat het energieverbruik relatief klein zal zijn, bestaat de mogelijkheid om microbatterijen in elektronische chips te integreren. Maar uit het oogpunt van veiligheid zitten daar wel beperkingen aan. Batterijen voor medische implantaten kunnen bijvoorbeeld geen gevaarlijke vloeistof als elektrolyt bevatten, want een lekkage zou dan desastreus zijn. Reden waarom wereldwijd onderzoek wordt gedaan naar vaste-stofbatterijen.

Er zijn al zogeheten planaire (platte) microbatterijen met lithium in pilot-productie. Ze worden gemaakt met behulp van physical vapor deposition-technieken (PVD) zoals magnetronsputteren en opdampen. Maar dit soort batterijen heeft weinig capaciteit en levert te weinig vermogen voor toekomstige autonome apparaten. Bovendien is het lage smeltpunt van metallisch lithium ongunstig, omdat de micro-elektronische industriestandaard bij de vervaardiging van chips gebruikmaakt van reflow-solderen. Dit gebeurt bij temperaturen boven het smeltpunt van de batterijen.

Binnen de vakgroep Energy Materials en Devices van prof.dr. Peter Notten wordt gezocht naar alternatieve vormen en materialen om een vaste-stofbatterij te maken die wél integreerbaar is met andere elektronica. Deeltijdhoogleraar Notten: “Bij planaire batterijen heb je niet veel materiaal, dus weinig capaciteit en daarmee een laag vermogen. Dat is de grote bottleneck. Het idee om de oppervlakte van een batterij te vergroten, is ontstaan op een conferentie in 2004. Daar hoorde ik dat silicium een heel goed materiaal is om lithium in op te slaan. Ik realiseerde me toen de link tussen silicium, geïntegreerde circuits (IC) en vaste-stofbatterijen. Samen met een collega van Philips Research heb ik dat idee uitgewerkt en aangevuld met een driedimensionaal concept voor een batterij. Met 3D-structuur kun je het oppervlak van een batterij behoorlijk vergroten. We hebben daarop intussen een groot aantal patenten en wereldwijd is er veel interesse getoond. Het eerste onderzoek richtte zich op de vraag of we silicium als dunne film konden gebruiken. Daarvoor heb ik Loïc Baggetto naar Nederland gehaald. Hij is in mijn ogen duidelijk ‘een grazer’. Iemand die graag zo snel mogelijk heel veel onderwerpen wil afgrazen om te kijken waar de leuke wetenschappelijke dingen zitten. Hij heeft dat tijdens zijn masteropdracht in zes maanden laten zien en heeft aangetoond dat ons idee ook werkt”.

In de jaren daarna heeft Baggetto als promovendus verder gewerkt aan het concept. Behalve silicium onderzocht hij ook de eigenschappen van andere anodematerialen waaronder germanium en tin. De Franse onderzoeker bekeek in samenwerking met de faculteit Technische Natuurkunde ook diverse soorten barrier layers (scheidingslagen) die het silicium en lithium in de batterij uiteenhouden.

Een ontwerp van een 3D-batterij.

Foto’s gemaakt met behulp van een elektronenmicroscoop van silicium in honingraatstructuur.

Bij een van de eerste experimenten van Baggetto op de High Tech Campus dompelde hij een éénkristallijnssiliciumwafer in lithiumelektrolyt, sloot er bedrading op aan en belaadde hem met lithiumionen. Het resultaat: het éénkristallijnsmateriaal ging helemaal kapot. Oorzaak: rondom een siliciumatoom gaan vier lithiumatomen zitten waardoor het kristalrooster enorm uitzet. Met deze enorme verhouding zou dus een relatief dunne film silicium volstaan om voldoende lithium op te nemen. Opnieuw volgden testen, ditmaal met dunne films silicium tussen de 50 en 500 nanometer. Baggetto: “Het bleek dat ze niet stuk gingen. De films zitten als het ware gelijmd op een ondergrond en kunnen maar naar één kant uitzetten. Er is dus geen schade, zolang als de film dun genoeg is”.
Baggetto toonde tegelijkertijd het grote verschil met grafiet aan. In vergelijking met de koolstofachtige structuren die nu in lithium-ionbatterijen zitten, kan silicium bijna tien keer zoveel energie opslaan. “De enige restrictie is dat het in bulk nog niet wijd toepasbaar is, alleen in dunne film. Maar in combinatie met de andere ontwikkelingen, de 3D-batterij, is het prachtig materiaal om in een vaste stof geïntegreerde batterij op te nemen.”

Naast de anodematerialen testte Baggetto diverse driedimensionale vormen. Hij vergrootte het oppervlak met gaatjes, sleufjes en honingraten. Honderden, wellicht duizenden kleine proefplaatjes gingen door zijn handen en belandden onder de elektronenmicroscoop. Uit de proeven bleek dat de energiecapaciteit inderdaad toeneemt naargelang de oppervlakte grote wordt, maar de resultaten waren nog niet altijd optimaal. Waar dat precies aan ligt, moet nader onderzoek uitwijzen. Baggetto: “We moeten rekening houden met thermodynamische en kinetische aspecten. En met de interface, depositie, bulk en elektrochemie. Er zijn veel zaken die van invloed zijn”.

Notten: “We hebben de individuele lagen redelijk in onze vingers. Nu moeten we daar nog een heel systeem van maken. Het werk is dus nog niet klaar. Er zijn zoveel parameters, dat is de volgende uitdaging om die te controleren. Je hoopt dat het 3D-geïntegreerde batterijsysteem ooit gaat werken en dat is de onderzoeksuitdaging voor de komende periode. We zijn vijf, zes jaar geleden begonnen met silicium. Als je ziet wat in die periode is gebeurd, dan is er ongelooflijk veel bereikt. En wanneer ik dat doortrek naar de toekomst, verwacht ik dat nog eenzelfde tijd om zover te komen dat het werkt”. (FvO)/.

Loïc Baggetto promoveerde 5 juli met het proefschrift ‘Negative electrode materials for lithium-ion solid-state microbatteries’.