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Neu bei CODICO: INFINITE POWER SOLUTIONS, INC.

15.10.2012  CODICO News  

INFINITE POWER SOLUTIONS, INC. (IPS), ein auf saubere Technologien spezialisiertes Unternehmen aus den Vereinigten Staaten, ist ein weltweit tätiger Anbieter von wiederaufladbaren Dünnschicht-Festkörperbatterien für eingebettete Anwendungen.

Die innovativen THINERGY® Micro-Energy Cells (MECs) sind revolutionäre Lösungen zur Energiespeicherung, die in unterschiedlichen vertikalen Märkten zum Einsatz kommen. Diese papierdünnen, biegsamen MECs zeichnen sich durch eine lange Lebensdauer und ein ausgezeichnetes Leistungsverhalten aus. Die in einem Temperaturbereich von -40ºC bis +85ºC funktionierenden, extrem dünnen MECs mit außergewöhnlich niedriger Selbstentladungsrate und niedrigem Zellwiderstand sind besonders leistungsstark. Die marktführenden THINERGY Mikroenergiezellen eignen sich hervorragend für alle Mikroenergie-Harvesting-Anwendungen, wobei sie durch Nutzung der in der Umgebung vorhandenen Solar-, Thermal, RF-, Magnet- oder Vibrationsenergie eine sichere, wiederverwendbare und saubere Energiequelle zum Wiederaufladen von modernen elektronischen Geräten und Systemen liefern.

Energiegewinnung aus der Umgebung

Damit ein Energiespeicherbaustein angemessener Größe eine (im Rahmen der üblichen Praxis) dauerhafte Stromquelle sein kann, muss er wiederaufladbar sein. Ist ein Gerät nicht zugänglich oder kann nicht an eine passende Wechsel- bzw. Gleichstromquelle angeschlossen werden, so muss die Energie der vorhandenen Umgebungsenergie entnommen werden. Daher ist die Möglichkeit, erfasste Umgebungsenergie tatsächlich und effizient aufzunehmen, bei der Wahl des Energiespeichers von großer Bedeutung.

Mikroenergiezellen können aufladbare Energie im Mikrowattbereich aufnehmen und die geerntete Energie mit nur geringem Verlust speichern. Ein Beispiel ist eine Industrieanwendung, die aus der Umgebung Schwingungsenergie mit lediglich 100 ?W/cm2 aufnimmt. Für eine Mikroenergiezelle (MEC) reicht diese Energiemenge zur wartungsfreien, kosteneffizienten Versorgung von Sensoren, die regelmäßig Funksignale aussenden müssen, z. B. Sensordaten von schwerer Ausrüstung oder sich bewegenden Fahrzeugen.

MECs bieten zahlreiche Vorteile, insbesondere dort, wo sie unbeaufsichtigt über eine lange Lebensdauer funktionieren müssen.

Zu diesen Vorteilen zählen:

- schnelles Aufladen und Wiederaufladen bei einem Strom unter 1µA;
- mehr als 100.000 Aufladezyklen;
- hohe Entladerate, sei es pulsförmig oder kontinuierlich;
- keine Pulsbreitenbegrenzungen bei Spitzenstromabgabe; bei den meisten Mikroenergie-Anwendungen werden keine externen Kondensatoren benötigt; 
- aufgrund des niedrigen Innenwiderstands kann die Mikroenergiezelle den relativ hohen Strom abgeben, der zur Übertragung von Funksignalen in kleinen kabellosen Systemen benötigt wird; 
- auch bei hoher Stromstärke behält die Nutzspannung ein flaches Profil; 
- stapelbare Konfiguration für höheren Energie- und Strombedarf; 
- verfügbar in tiefeinsetzbaren Formfaktoren (allgemein sehr dünn und biegsam), leichtes, wartungsfreies Design.

Aufgrund dieser Merkmale können MECs in einer breiten Palette von Anwendungen eingesetzt werden.

Hier nur einige Beispiele:
- kabellose Niedrigenergiesensoren; 
- Smart-Messgeräte; 
- Smart Home / Smart Building-Steuerungen; 
- kleine Handfernsteuerungsgeräte; 
- Smart Cards (mit Display/biometrischen Daten,
z.B. Fingerabdruck-Sensoren);
- Sicherheits- und Temperatursensoren; 
- Echtzeitlokalisierungssysteme (RTLS); 
- Speicher- und Echtzeituhr(RTC)-Steuerung; 
- Diebstahlvorbeugungs-Tags; 
- Remote-Überwachung von Patienten; 
- Überwachung von Maschinen/Anlagen.

Zwar können für eine Mikroenergiezelle (einschließlich der Komponenten für Energieernte und Stromsteuerung) anfangs höhere Kosten anfallen als für konventionelle Energiespeichereinheiten, aber Mikroenergiezellen bieten gegenüber Vorrichtungen, die konventionelle Batterien verwenden, zahlreiche Vorteile, und zwar wenn:
- die Gesamtbetriebskosten (TCO/Total Cost of Ownership) gering gehalten werden sollen; 
- das Austauschen von Batterien ist oft sehr teuer (z. B. Arbeitszeit)
- konventionelle Batterielösungen zu groß oder zu schwer sind;
- Batterieabfall vermieden werden soll;  
- Lebensdauer und Verlässlichkeit eines Produkts erhöht werden sollen;
- Anwendungen tief eingebaut sind, weshalb der Austausch von Batterien kostspielige und gefährliche Arbeitsschritte beinhaltet.

Es ist wichtig zu verstehen, dass die Gesamtbetriebskosten vom Standpunkt des Endbenutzers aus zu sehen sind. Bei der Bewertung verfügbarer Lösungen betrachten die Benutzer zwei Aspekte der Gesamtbetriebskosten: a) den Kapitalaufwand (Capital Expenditures/CapEx) für den Kauf des Produkts und b) die laufenden Betriebskosten (Operational Expenditures/OpEx). Allzu oft sind die Entwicklungstechniker der Ansicht, dass eine Reduzierung de Kapitalaufwands niedrigere Gesamtbetriebskosten ergeben wird oder dass die potenziellen Kunden Alternativen in erster Linie oder ausschließlich auf der Basis des Einkaufpreises vergleichen werden. Auch wenn dies für manche Verbraucher zutrifft, legen Unternehmen durchweg größeren Wert auf die laufenden Betriebskosten.

Überlegen wir Folgendes: Die Kosten der Energie, die ein Datenserver während der üblichen Lebensdauer (typischerweise 3 Jahre) verbraucht, übersteigen heute den Neupreis des Datenservers. Den Server-Anbietern ist dieses Phänomen bekannt; sie investieren daher in Technologien für die effizientere Nutzung ihrer Systeme, um die laufenden Betriebskosten zu senken. Endbenutzer, die diese Server kaufen, haben erkannt, dass sie für einen effizienter arbeitenden Server bei der Anschaffung einen höheren Preis bezahlen müssen, aber auch dass sie über die Lebensdauer des Servers signifikante Einsparungen erzielen werden.

Bei Mikroenergiezellen fallen während der Betriebszeit keinerlei laufende Ausgaben an. Somit verleihen sie den mit MECs ausgestatteten Produkten einen eindeutigen Wettbewerbsvorteil, was die gesamten Betriebskosten anbelangt. Dank einer Lebensdauer von 15 oder mehr Jahren muss eine MEC in den meisten Anwendungen weder gewartet noch ausgetauscht werden. MECs können daher in Geräten tief eingebaut oder fest in einem Gerät verschweißt werden (sogar bei Geräten, die unter rauen Bedingungen und in einer heißen Umgebung arbeiten), da sie nie ausgetauscht werden müssen. Geräte mit MEC-Stromversorgung können daher an unzugänglichen Stellen (auch in anderen Systemen) eingebaut werden.

Mikroengeriezellen (MECs) im Vergleich zu anderen Speichertechnologien

MECs enthalten keine organische Elektrolytflüssigkeit und keine ätzenden Chemikalien oder Schwermetalle. Auch in ihrem Herstellungsprozess werden keine solchen Substanzen eingesetzt. Bei den meisten herkömmlichen Batterietechnologien werden hingegen mit Flüssigkeit imprägnierte Separatormaterialien eingesetzt, wobei die Flüssigkeit als Elektrolyt dient. Einige der verwendeten Chemikalien können giftig sein, weshalb sie in manchen Anwendungen nicht in Frage kommen. In anderen Anwendungen sind Maßnahmen zur Eindämmung möglicher Schäden erforderlich. Im Lauf der Zeit können die eingesetzten Säuren und Basen die umliegenden Materialien in der Batterie beschädigen, so dass sich Verunreinigungen im Elektrolyt auflösen: Es kommt zu vorzeitigem Materialabbau im Inneren der Batterie, was wiederum Kurzschlüsse auslösen kann. Bei hohen Temperaturen kommt es vermehrt zu diesem Abbau, weshalb der Einsatzbereich bestimmter Batterien mit Elektrolytflüssigkeit vielfach auf Anwendungen mit einer Betriebstemperatur von weniger als 60°C beschränkt ist. Bei manchen Batteriezellen baut sich eine Passivierungsschicht auf, und diese bewirkt anfangs einen Spannungsabfall, was zu Problemen führen kann. Die Leistungsfähigkeit einer Batterie kann auch durch Entladung bei manchen Batteriechemikalien verringert werden. Außerdem gibt es bei manchen Batterien (z. B. NiCad) einen „Memory-Effekt”, wobei die nutzbare Kapazität durch ein flaches Zyklisieren bzw. durch kapazitätsmindernde Effekte wie z.B. Sulfatierung (z.B. bei Blei-Säuren-Batterien) eingeschränkt wird, was bei längerer Nichtbenutzung vorkommt und bei höheren Temperaturen noch beschleunigt wird. Für Mikroenergiezellen gelten diese Einschränkungen nicht; sie können dauerhaft bei Temperaturen von bis zu 85°C eingesetzt werden. 

Nicht zuletzt kann eine MEC dank ihrer außergewöhnlich niedrigen Selbstentladungsrate (
Bei einem direkten Vergleich zwischen Batterieknopfzellen, Supercap und EMCs stellen wir eindeutige Vorteile der EMCs gegenüber anderen Energiespeicherbausteinen fest, wie in Tabelle 1 ersichtlich ist.

Ergebnis

Die Gesamtbetriebskosten eines Systems können empfindlich steigen, wenn eine Energiequelle für eine Anwendung auch nur ein einziges Mal ersetzt werden muss. Die Endbenutzer solcher Systeme wissen das und berücksichtigen bei ihren Kaufentscheidungen nicht nur den anfänglichen Kapitalaufwand, sondern auch die laufenden Betriebskosten. Sie wissen, dass die Betriebskosten üblicherweise die Anschaffungskosten übersteigen.

Bei der Stromversorgung mit Mikroenergiezellen entfallen die Wartungskosten. Mikroenergiezellen können jahrzehntelang ohne Leistungsverlust arbeiten. Das Ergebnis sind die niedrigsten Gesamtbetriebskosten für den Endbenutzer.

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Produkt - Übersicht
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Tabelle 1

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