Warum ultradünne Batterien die bevorzugte Lösung für Chipkarten sind？

Im Zeitalter digitaler Sicherheit und bargeldloser Transaktionen sind Smartcards zu einem unverzichtbaren Instrument für die Authentifizierung, Identifizierung und finanzielle Transaktionen geworden. Während die meisten Smartcards ohne interne Stromquelle funktionieren, erfordern bestimmte fortschrittliche Anwendungen eine eingebettete ultradünne Batterie, um die Funktionalität zu verbessern. Aber warum sind ultradünne Batterien für Smartcards die bevorzugte Wahl?

Einführung in Smart Cards

Smart Cards sind Plastikkarten mit eingebetteten Mikrochips, die Daten speichern und verarbeiten. Sie werden häufig im Bankwesen, im Gesundheitswesen, in der Telekommunikation und bei der Zugangskontrolle eingesetzt. Auf Smartcards können persönliche Informationen, Kontodaten, medizinische Daten und Sicherheitsnachweise gespeichert werden. Diese Karten bieten eine sichere und bequeme Möglichkeit, Informationen elektronisch auszutauschen.

Warum brauchen Chipkarten Batterien? 

Kontaktlose Standard-Chipkarten werden über die RFID- (Radio-Frequency Identification) oder NFC-Technologie (Near-Field Communication) mit Strom versorgt, wenn sie sich in der Nähe eines Lesegeräts befinden. Smart Cards mit Batterien dienen jedoch fortschrittlicheren Anwendungen, wie z.B.:   

1. One-Time Password (OTP) Display-Karten - Wird für die sichere Authentifizierung bei Bank- und Online-Transaktionen verwendet.       
2. Biometrische Chipkarten - Eingebettete Fingerabdrucksensoren für eine sichere Zugangskontrolle.     
3. Chipkarten mit E-Ink-Display - Wird in Finanzkarten verwendet, um dynamische CVV-Codes anzuzeigen.
4. Aktive RFID-Karten - Karten, die zu Verfolgungs- oder Sicherheitszwecken kontinuierlich Signale senden. 

Für diese Anwendungen liefert eine eingebettete, ultradünne Lithium-Batterie die notwendige Energie für einen unterbrechungsfreien Betrieb.

Vorteile von ultradünnen Batterien für Chipkarten

1. Minimale Dicke für nahtlose Integration

Der Hauptgrund für die Verwendung von Ultradünne Lithium-Batterien bei Chipkarten ist ihre kompakter Formfaktor. Mit Dicken von bis zu 0,4mm bis 0,6mmDiese Batterien passen in die Standardabmessungen der ISO 7810 Chipkarte (0,76 mm dick), ohne dabei an Flexibilität oder Haltbarkeit einzubüßen. 

2. Lange Batterielebensdauer & geringer Stromverbrauch

Smartcard-Batterien sind für eine Lebensdauer von mehreren Jahren ausgelegt, je nach Nutzung. Ultradünne Lithium-Batterien haben:

• Eine hohe Energiedichte, die eine längere Nutzung zwischen den Aufladungen ermöglicht.
• Eine niedrige Selbstentladungsrate, die eine lange Standby-Zeit gewährleistet. 
• Effizienter Energieverbrauch zur Deckung des periodischen Energiebedarfs (z.B. biometrisches Scannen oder OTP-Generierung). 

3. Flexibles und anpassbares Design

Kundenspezifische ultradünne Batterien können in verschiedenen Formen und Größen hergestellt werden, um spezielle Chipkartendesigns zu ermöglichen. Hersteller wie Landazzle sich spezialisieren auf kundenspezifische Lithium-Batterien, die eine perfekte Integration in verschiedene Smartcard-Anwendungen  .

4. Zuverlässige Leistung unter extremen Bedingungen

Ultradünne Batterien auf Lithiumbasis bieten eine überragende Temperaturstabilität, wodurch sie ideal für Chipkarten, die in verschiedenen Klimazonen verwendet werden. Sie widerstehen Temperaturen von -20°C bis 60°C, um eine ununterbrochene Leistung zu gewährleisten.

5. Wiederaufladbare und nicht wiederaufladbare Optionen

Ultradünne Batterien für Chipkarten gibt es in zwei Haupttypen:

• Nicht wiederaufladbare (primäre) Batterien - Wird typischerweise in OTP-Display-Karten und aktiven RFID-Karten verwendet, bei denen die Stromversorgung für 3-5 Jahre ohne Aufladen erforderlich ist.
• Wiederaufladbare (sekundäre) Batterien - Wird in biometrischen Chipkarten und interaktiven Display-Karten verwendet, bei denen eine häufige Nutzung eine Auflademöglichkeit erfordert. 

Anwendungen, die von Ultra-Thin-Batterien profitieren:

• Dynamische Sicherheitsfunktionen: Karten mit wechselnden Sicherheitscodes, die auf integrierten Bildschirmen angezeigt werden, erhöhen den Schutz des Benutzers vor Betrug.

• Interaktive Identifizierung: IDs, die Benutzerinformationen oder Statusaktualisierungen in Echtzeit anzeigen.

• Erweiterte Zahlungslösungen: Karten, die in der Lage sind, OTPs zu generieren oder mit mobilen Geräten für sichere Transaktionen zusammenzuarbeiten.

Wie werden Chipkartenbatterien wieder aufgeladen?

1. RF-Induktion (berührungsloses Aufladen):
   

   • Mechanismus: Die meisten kontaktlosen Smartcards (z.B. solche, die für den Transit oder den Zugang verwendet werden) gewinnen über eine eingebaute Antenne Energie aus dem Radiofrequenzfeld (RF) des Lesegeräts. Diese Energie versorgt den Chip bei Transaktionen mit Strom und kann auch eine kleine Batterie oder einen Superkondensator aufladen, wenn die Karte über aktive Komponenten verfügt (z.B. ein Display oder einen biometrischen Sensor).
     

   • Prozess: Wenn sich die Karte in der Nähe eines Lesegeräts befindet, induziert das HF-Feld in der Antenne einen Strom, der in Gleichstrom umgewandelt wird. Diese Energie lädt die Batterie bei jeder Benutzung schrittweise auf.
     

2. Dedizierte kabellose Ladegeräte:
   

   • Einige aktive Smartcards (z.B. solche mit E-Ink-Displays für einmalige Passwörter) müssen möglicherweise regelmäßig über ein spezielles drahtloses Ladegerät aufgeladen werden. Diese Geräte verwenden stärkere RF-Felder oder induktive Ladepads, um die Batterie effizienter aufzuladen als Standard-Lesegeräte.
     

3. Nicht wiederaufladbare Batterien:

   • Viele aktive Chipkarten (z.B. ältere OTP-Token) verwenden nicht wiederaufladbare Lithiumbatterien mit einer Lebensdauer von 3-5 Jahren. Diese Karten werden ersetzt, sobald die Batterie leer ist.

Können Chipkartenbatterien ausgetauscht werden?

Im Allgemeinen sind ultradünne Batterien in Chipkarten nicht austauschbar:       

• Die vollständig laminierte Struktur von Chipkarten. 
• Die Schwierigkeit, auf interne Komponenten zuzugreifen, ohne die Karte zu beschädigen.

Herausforderungen und Innovationen bei Chipkartenbatterien

Die Integration von Batterien in Chipkarten ist ein schwieriger Balanceakt zwischen Funktionalität, Haltbarkeit und Benutzerfreundlichkeit. Ultradünne Batterien haben zwar neue Möglichkeiten eröffnet, aber es gibt auch noch einige Herausforderungen - und die Innovatoren arbeiten mit Hochdruck daran, sie zu lösen.

Technische Herausforderungen: 

• Energiedichte vs. Dicke:
  Je dünner der Akku ist, desto geringer ist seine Energiekapazität. Ein 0,3 mm dünner Standard-Akku liefert beispielsweise typischerweise 10-20 mAh, was für stromsparende Displays ausreicht, aber für energieintensive Funktionen wie Bluetooth nicht ausreicht. Eine Studie aus dem Jahr 2023 in Fortschrittliche Energie-Materialien stellte fest, dass die Verbesserung der Energiedichte ohne Erhöhung der Dicke der "heilige Gral" der Mikrobatterieforschung bleibt.
  

• Langlebigkeit für die Umwelt:
  Chipkarten sind extremen Bedingungen ausgesetzt - Biegen, Feuchtigkeit und Temperaturschwankungen. Die Batterien müssen mehr als 10.000 Biegezyklen (gemäß ISO/IEC 7810) aushalten, ohne auszulaufen. A 2022 Fraunhofer-Institut Studie ergab, dass nur 65% der handelsüblichen dünnen Batterien diesen Schwellenwert erreichten, was die Notwendigkeit robuster Versiegelungstechnologien unterstreicht.

Hürden bei der Herstellung:  

• Präzisionsmontage:
  Das Einbetten von Batterien in Karten, ohne die ISO-Dickengrenze von 0,76 mm zu überschreiten, erfordert Präzision im Mikrometerbereich. Automatisiertes Laserschweißen und Rolle-zu-Rolle-Drucken entwickeln sich zu skalierbaren Lösungen. 
  

• Barrieren bei den Kosten:  
  Ultradünne Batterien kosten 3-5x mehr als herkömmliche Knopfzellen. Skaleneffekte lassen die Preise jedoch sinken - 2024 IDTechEx Bericht prognostiziert eine Kostensenkung von 40% bis 2027, da die Akzeptanz im Zahlungsverkehr und im Gesundheitswesen zunimmt.
  

Recycling-Komplexität:
Weniger als 5% der Chipkartenbatterien werden heute aufgrund ihrer geringen Größe und der Konstruktion aus verschiedenen Materialien recycelt. Die bevorstehende EU  Batterieverordnung 2025 schreibt die Wiederverwertbarkeit für alle eingebauten Batterien vor und drängt die Hersteller zu modularen Designs.

Fazit

Die Integration von ultradünnen Lithiumbatterien in Smartcards erhöht deren Funktionalität, indem sie OTP-Anzeigen, biometrische Authentifizierung und aktive RFID-Verfolgung ermöglichen. Diese Batterien bieten lang anhaltende Energie, kompakte Formfaktoren und überragende Leistung, was sie zur bevorzugten Lösung für fortschrittliche Chipkartenanwendungen macht.

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