Solid-State-Akkumulator in SMD-Technologie für IoT-Anwendungen

Ob einfache Gadgets oder komplexe industrielle IoT-Geräte – eine platzsparende, zuverlässige wie auch äußerst sichere Stromversorgung benötigen sie alle. CeraCharge™, der weltweit erste Solid-State-Akkumulator in SMD-Technologie erfüllt alle diese Ansprüche.

Batterien und Akkumulatoren in verschiedensten Technologien und mit unterschiedlichen Kapazitäten sind aus unserem Leben nicht mehr wegzudenken. Das IoT mit all seinen Facetten wird künftig milliardenfach spezielle Stromversorgungen benötigen, die auf den geringen Leistungsbedarf neuer Ultra-Low-Power-Halbleiter und Sensoren zugeschnitten sind. Diese Geräte müssen mittels Energy-Harvesting-Technologien über Jahre hinweg unabhängig von externen Stromversorgungen funktionieren. Die Anforderungen an elektrische Speichermedien sind: 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 jetzt der TDK CeraCharge einen Ausweg aus diesem Dilemma. Im Gegensatz zu den meisten gängigen Technologien handelt es sich dabei um einen Solid-State-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 (siehe Abbildung 1).

Abbildung 1:

Schnittbild durch den CeraCharge. Statt eines flüssigen Elektrolyten kommt ein keramischer Festkörper-Elektrolyt zum Einsatz.

Durch diese Technologie wird eine relativ hohe Energiedichte auf kleinstem 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.

Einfache Prozesse dank SMD-Ausführung

CeraCharge ist der weltweit erste Akkumulator in SMD-Ausführung. Entsprechend ergeben sich dadurch 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 x 3,2 x 1,1 mm³). Dabei bietet er eine Kapazität von 100 µAh bei einer Nennspannung von 1,5 V. Die wichtigsten technischen Daten von CeraCharge sind in Tabelle 1 zusammengefasst.

* Bei einer Umgebungstemperatur von 25 °C und einer relativen Luftfeuchte von < 60 %.
Tabelle: Technische Daten des Solid-State Akkumulators CeraCharge in SMD-Ausführung und Baugröße EIA 1812 

Die typische Entlade-Charakteristik ist in Abbildung 2 dargestellt. Der Nenn-Entladestrom von CeraCharge beträgt 20 µA, wobei ein CeraCharge eine Dauerentladung von 1 mA (10 C) unterstützt.

Verglichen mit konventionellen Akkumulatoren oder Batterien bietet CeraCharge einen sehr großen Temperaturbereich von -20 °C bis +80 °C. Damit eignet er sich zum Beispiel auch für Einsätze im Außenbereich, etwa in Wetterstationen. Die typische Temperatur-Charakteristik bei einem konstanten Entladestrom von 20 µA ist in Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung 2:

 Typische Temperatur-Charakteristik von CeraCharge.

Abbildung 3:

 Typische Entlade-Charakteristik von CeraCharge.

Je nach Anforderung können ohne große Einbußen bei den elektrischen Parametern, das heißt bis zu 80 Prozent der Ursprungswerte, etliche Dutzend bis 1000 Lade-/Entladezyklen bewältigt werden. Abbildung 4 zeigt die typische Zyklus-Charakteristik beim Laden von CeraCharge mit einer konstanten Spannung von 1,6 V für 3 h und beim Entladen mit einem konstanten Strom von 20 µA.

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 (Abbildung 5).

Abbildung 4:

Typische Zyklus-Charakteristik von CeraCharge.

Abbildung 5:

Typische Pulsleistung von CeraCharge.

Extrem breites Spektrum an Einsatzmöglichkeiten

Zur Erhöhung der Kapazität und der Spannung können einzelne CeraCharge Chips beliebig in Serie und 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 (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 (Abbildung 6). 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 vier Wochen gewährleisten.

Abbildung 6:

CeraCharge kann die Knopfzelle, die für gewöhnlich als Backup-Batterie in einer Real-Time Clock (RTC) zum Einsatz kommt, ersetzen.

Solarbetriebene Beacons mit CeraCharge

Voraussetzung für das Internet der Dinge (IoT) ist die Möglichkeit, alle Arten von Geräten mit dem Internet zu verbinden. Zurzeit entwickelt sich die solarbetriebene Bluetooth Low Energy (BLE) Beacon-Technologie als die Connectivity-Lösung der Wahl, da sie nur geringe Platzanforderungen stellt und wenig Energie verbraucht. Abbildung 7 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, die zur Verfügung steht, wenn der Kondensator vollgeladen ist, und entlädt sich in den Kondensator, wenn dieser entladen ist. Damit ist ein unterbrechungsfreier Dauerbetrieb des solarbetriebenen Beacons gewährleistet. Die Anzahl der parallel geschalteten CeraCharge Chips ist von der maximalen Spannung abhängig, mit der das BLE-Modul ohne Solarzelle versorgt werden muss.

Abbildung 7:

CeraCharge kann als sekundäre Spannungsquelle sowie als Energiespeicher genutzt werden, um den Kondensator als primäre Spannungsquelle für das BLE-Modul zu laden.

Neben der momentan verfügbaren SMD-Variante in der Baugröße EIA 1812 wird TDK künftig auch CeraCharge Typen in anderen Baugrößen, wie zum Beispiel EIA 0603 oder 2020, und Kapazitäten entwickeln, um ein noch breiteres Spektrum an Anwendungsmöglichkeiten abzudecken. Beispiele sind Energiespeicher für Energy Harvesting, häufig in Verbindung mit Kondensatoren, oder als Hilfsbatterie in Wearables zum Glätten von Strom- und Spannungspegeln bei temporären Spitzenbelastungen.