De batterij is log en link, vinden Philips en NXP. Log, omdat zij relatief steeds meer ruimte en gewicht inneemt in draagbare apparaten. En link, omdat zij zou kunnen lekken. Hoog tijd dus om een nieuw concept te verkennen, waarin de lading wordt opgeslagen in gleuven, zorgvuldig opgevuld met vaste stoffen. Kennis oorspronkelijk opgedaan in de halfgeleiderindustrie komt daarbij aardig van pas.
Het woord ’batterij‘ betekent volgens Van Dale onder meer een ’groep van gelijksoortige, bijeenhorende zaken of personen‘. In vroeger tijden werden die ’gelijksoortige zaken‘ vooral in een militaire context gebruikt, in het bijzonder voor gezamenlijk opgesteld militair geschut. Vreemd is dat niet, aangezien battre in het Frans ’slaan‘ betekent. Tegenwoordig gebruiken we het woord meestal in een veel vreedzamere betekenis, maar de etymologie verraadt wel de opbouw van de eerste primitieve energiebronnen. Benjamin Franklin gebruikte naar verluidt in 1748 als eerste de term voor een rits geladen glazen platen.
Hoewel het onderliggende principe de tand des tijds redelijk heeft doorstaan, heeft de batterij sindsdien een enorme vlucht genomen. Nog altijd bestaat zij uit een elektrochemische of voltaïsche cel waarin twee chemische reacties voor de productie dan wel de consumptie van elektronen zorgen. ’Op weg‘ van de ene reactie naar de andere kunnen deze elektronen ingezet worden om arbeid te verrichten – ze vormen een elektrische stroom. De essentiële elementen, twee elektroden, een elektrolyt en reactanten, zijn in de moderne batterij nog altijd gemeengoed.
Door de jaren heen is er desalniettemin heel wat wetenschap op die elementen losgelaten. Onderzoekers hebben nieuwe materialen uitgeprobeerd en gecombineerd, of ze speelden met de structuur ervan. Dat heeft betere batterijen opgeleverd die meer energie kunnen opslaan, sneller opladen en een langere nuttige levensduur hebben. ’Aan dat soort onderzoek is nog lang geen einde gekomen‘, vertelt Peter Notten, die zijn werkweek verdeelt over Philips Research en de TU Eindhoven. Batterijen vormen een belangrijk deel van zijn researchactiviteiten. ’Er valt nog veel winst te boeken. De stijgende olieprijzen stuwen de behoefte naar nieuwe energietechnologie alleen maar op.‘
Je zou zeggen dat Philips flink meedoet aan het verfijnen van het eeuwenoude concept. De elektronicagigant produceert immers nogal wat elektronische apparatuur die het van een batterij moet hebben. Vroeger was dat ook zo. Gekende batterijinnovaties als de nikkelmetaalhydridebatterij en de boost charge-technologie komen van Eindhovense bodem. Tegenwoordig heeft het onderzoek bij Philips Research echter een andere wending genomen. ’Een aantal jaren geleden hebben we geconstateerd dat batterijtechnologie ’er gewoon is‘. Je kunt haar met andere woorden gewoon inkopen. Het was interessanter, ook commercieel gezien, om aan een nieuw concept te gaan werken‘, aldus Notten.
Dat nieuwe concept is de vastestofbatterij (VSB). Verschillende spelers in de wereld werken eraan, maar Philips Research geeft er in samenwerking met de TU Eindhoven een geheel eigen twist aan en ook NXP Research draagt een steentje bij. De Eindhovenaren leunen sterk op kennis die is opgedaan in de halfgeleiderindustrie en maken batterijen van zorgvuldig opgevulde gleuven in een silicium wafer. En het vertrouwde vloeibare of gelachtige elektrolyt? Dat is in geen velden of wegen meer te bekennen.
Reactief
’Het probleem met conventionele batterijen is de grootte en hun massa. Je bent er relatief steeds meer ruimte aan kwijt of ze maken relatief veel van het gewicht uit. Dat botst met de trend van steeds kleinere en lichtere apparaatjes. Sommige mensen hebben het over smart dust, piepkleine sensortjes of actuatortjes die volledig autonoom werken en dus zelf in hun energie moeten voorzien. Het moge duidelijk zijn dat een nieuw, vooral kleiner en lichter, type batterij daarbij onmisbaar zal zijn‘, verklaart Notten de interesse van Philips Research voor de VSB.
Hoewel de meeste elektronicafabrikanten blij zullen zijn met kleinere batterijen – ze zijn immers flexibeler in hun ontwerp – speelt er voor Philips Research nog een andere overweging om naar de VSB te kijken. De onderzoeksorganisatie bedient namelijk ook Philips Healthcare, een van de drie resterende divisies. ’Binnen Philips Research werken mensen aan implantaten. De droom is om allerlei functies in het menselijk lichaam in de gaten te kunnen houden of die zelfs bij te sturen. Maar het verdient niet de voorkeur om via dergelijke implantaten een gevaarlijke chemische vloeistof in het lichaam te brengen. Er is altijd een kleine kans op lekken.‘ Het elektrolyt blijft wel noodzakelijk, aangezien geen ander concept in staat is gebleken energie zo goed op te slaan als de batterij.
Bovendien herbergt de batterij per definitie een geleidend medium dat de beide elektroden elektrisch met elkaar verbindt. ’Condensatoren kunnen ook lading opslaan, in de vorm van elektronen die zich ophopen aan het grensvlak van een elektrode en een diëlektricum. In een batterij gebeurt dat ook, maar daarnaast ligt er energie vast in chemische stoffen.‘ In de praktijk kan de condensator in welke vorm dan ook daarom niet aan de batterij tippen.
Toch bood een condensatorstructuur inspiratie voor een nieuw type VSB. In DRam-geheugen is de condensator het essentiële element om lading mee op te slaan. Sommige DRam-makers gebruiken diepe gleuven in silicium afwisselend gevuld met metaal en diëlektrisch materiaal als condensator. Zoals verwacht, valt daar geen acceptabele energiebron van te maken, zo vonden Notten en collega Fred Roozeboom van NXP Research. Maar de conceptuele stap naar een nieuw soort VSB is gauw gemaakt. Vervang de constituerende elementen in de condensatorgleuf door die van een batterij, en je hebt een ’3D-VSB‘ (zie Figuur 1).
’Er zijn natuurlijk andere VSB-concepten. De bekendste ervan, de dunnefilmbatterij, heeft het zelfs al tot de productielijn geschopt. Maar goed genoeg om de toekomstige draagbare technologie van energie te voorzien, zijn ze nog niet. Ze leunen bovendien op het gebruik van lithium als anode. Dat is een zeer reactief metaal met bovendien een laag smeltpunt van 181 graden Celsius. In de elektronica is dat niet handig, omdat veel processen tijdens de fabricage een hogere temperatuur vereisen.‘
Draagbare energie
Het komt natuurlijk goed uit dat de kennis om gaatjes te boren in silicium en deze vervolgens te vullen al een ontwikkeld researchgebied is. Dat kan met reactive ion etching (RIE) of elektrochemische technieken. Deze wijsheid is niet alleen te danken aan DRam-condensatoren, maar ook aan de momenteel sterk in de belangstelling staande through-silicon vias. Ook deze verticale elektrische verbindingen tussen chiplagen leunen op de kennis om silicium te structureren. Een siliciumsubstraat voor de 3D-VSB is derhalve een praktische keuze, maar voor de batterijwerking is het beslist niet noodzakelijk.
Toch kán de wereldberoemde halfgeleider meer dan een ondersteunende functie vervullen in de 3D-VSB. Nadat de gleuven zijn voorzien van een dun barrièrelaagje om te voorkomen dat ionen het bulksubstraat in lekken, volgt er een dun laagje silicium. Dit dient om ionen te absorberen tijdens het laden en weer af te geven tijdens het ontladen. Er is uiteraard ook een tweede elektrode, waarbij het omgekeerde gebeurt. De twee elektroden zijn gescheiden door een vast elektrolyt, meestal een lithiumverbinding. Lithiumionen zijn lekker klein, waardoor ze de grootste kans hebben om zich fatsoenlijk door een vaste stof te wurmen.
’Het bijzondere is dat silicium uitstekend lithiumionen opneemt‘, vertelt Notten. ’Op ieder siliciumatoom kunnen wel bijna vier lithiumionen worden gehuisvest. Het is opmerkelijk dat kristallijn silicium tijdens het opladen de lithiumionen opneemt, daarbij tijdelijk amorf wordt, maar dat aan het einde de kristallijnen verbinding Li15Si4 ontstaat.‘ Op grote schaal werkt silicium echter niet zo goed. Dat komt door de mechanische stress die de volumeverandering met zich meebrengt en zo de elektrode letterlijk uit elkaar scheurt. ’Maar in een film tot vijftig nanometer dik gaat het prima.‘
In de vaste stof blijkt silicium bovendien beter te presteren dan in combinatie met een elektrolyt. Aan het oppervlak van de elektrode ontstaat namelijk geen solid electrolyte interface-laagje (SEI-laagje, zie Figuur 2), dat de opslagcapaciteit nadelig beïnvloedt. Dit laagje is verantwoordelijk voor de steeds minder wordende opslagcapaciteit van batterijen naarmate ze vaker zijn opgeladen. De siliciumelektrode in de 3D-VSB had van dat probleem geen last. Neem daarbij ook nog eens de opslagcapaciteit die drie ordes van grootte hoger ligt dan de vergelijkbare condensatorstructuren in commerciële productie, en er ligt een veelbelovend concept op tafel.
Toch is silicium niet per se het materiaal naar keuze voor de 3D-VSB. ’Er zijn andere opties‘, zegt Notten. ’Dat geldt eigenlijk voor alle materialen in onze batterij. Ons onderzoek is wat dat betreft nog redelijk verkennend. Aan de andere kant hebben we inmiddels wel keuzes gemaakt en dus een eerste lijn ingezet. Maar een materiaalwisseling behoort altijd tot de mogelijkheden.‘ Poreus aluminiumfolie of geleidende membranen zijn een aantrekkelijke keuze, want die kunnen worden opgevouwen. Daardoor passen er nog meer batterijen in een volume-eenheid.
Behalve het materiaal zelf is ook de manier van opbrengen essentieel. Notten: ’Chemical vapour deposition, physical vapour deposition of atoomlaagdepositie, het maakt veel verschil. Ook daar besteden we veel aandacht aan.‘
Met al die ongeëxploreerde opties nog op de labtafel, mag het geen wonder heten dat de technologie nog niet productiewaardig is. En een uitspraak doen over wanneer het wel zover is, durft Notten vooralsnog niet. Desalniettemin is de 3D-VSB een waardige nieuwe loot aan de onderzoekstraditie in ’draagbare energie‘ die Philips en zijn nakomelingen hoog moeten houden.