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Die Akku-Revolutionäre

Schweizer Forscher denken Batterien neu

8. September 2023, 7:00 Uhr | Kathrin Veigel

Proof of Concept: Zurzeit messen die einzelnen Zellen der neuartigen Batterie nur etwa 1 mm × 3 mm.

Die vom Empa-Spin-off BTRY neu entwickelten Dünnschichtbatterien sind nicht nur sicherer und langlebiger als herkömmliche Li-Ion-Akkus, sie sind auch wesentlich umweltfreundlicher in der Herstellung und lassen sich in nur einer Minute auf- und entladen.

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Im Vergleich zu anderen bestehenden oder sich entwickelnden Batterietechnologien bringt die Feststoffbatterie auf Lithiummetallbasis, die von den beiden Forschern Abdessalem Aribia und Moritz Futscher aus dem Labor »Thin Films and Photovoltaics« an der Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Empa entwickelt wurde, wesentliche Vorteile mit sich. So kann sie beispielsweise innerhalb von einer Minute auf- und wieder entladen werden, hält rund zehnmal so lang wie ein Lithium-Ionen-Akku und ist unempfindlich gegenüber Temperaturschwankungen.

Im Vergleich zu Lithium-Ionen-Akkus nicht brennbar

Außerdem ist sie im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Akkus nicht brennbar – ein großer Pluspunkt, denn heutige Akkus gelten als Gefahrgut. Falsche Handhabung oder Beschädigung einer herkömmlichen Lithium-Ionen-Zelle kann zu einem Brand führen, der giftige Gase freisetzt und sehr schwer zu löschen ist. »Wenn man dagegen unsere Batterie mit einer Schere durchschneidet, hat man einfach zwei halb so gute Batterien«, erklärt Aribia. Diese vielversprechende Technologie wollen Aribia und Futscher nun auf den Markt bringen. Gemeinsam mit Laborleiter Yaroslav Romanyuk haben sie ein Spin-off namens »BTRY« gegründet.

Neue Dünnschichtfestkörperbatterie für kommerzielle Anwendungen

Die neuartige Batterie ist eine sogenannte Dünnschichtfestkörperbatterie. Die Technologie an sich ist nicht neu: Solche Batterien sind bereits seit den 1980-er Jahren bekannt. Aufgrund der sehr geringen Masse ihrer Dünnschichtkomponenten – die ganze Zelle ist nur wenige Mikrometer dick – konnten sie bisher aber nur sehr wenig Energie speichern. Futscher und Aribia ist es nun gelungen, die Dünnschichtzellen aufeinander zu stapeln und somit ihre Kapazität zu erhöhen. Damit wird die Batterie interessant für kommerzielle Anwendungen.

So funktioniert die Herstellung

Die Herstellung der Dünnschichtzellen erfolgt mittels Vakuumbeschichtung: Die gewünschten Materialien werden in einer Vakuumkammer zu einzelnen Atomen zerstäubt, die sich dann in einer präzise kontrollierten Schicht auf dem Zielsubstrat absetzen. »Solche Herstellungsmethoden werden heute im großen Stil bei der Herstellung von Halbleiterchips und Glasbeschichtungen angewendet«, so Futscher. Das sei von Vorteil, denn die Maschinen und das Know-how für die Herstellung der neuen Batterie seien somit weitgehend vorhanden.

Die hochpräzise Herstellungsmethode hat einen weiteren Vorteil: Im Gegensatz zur traditionellen Kochtopf-Methode der Batterieherstellung fallen bei der Produktion der BTRY-Batterie keine toxischen Lösungsmittel an. Allerdings fällt die Dünnschichtbatterie dadurch auch teurer aus. Ihre Anwendung sehen die Forscher deshalb vor allem in Produkten, bei denen der Preis der Batterie nur einen geringen Anteil an den Gesamtkosten des Geräts hat – etwa bei Smartphones und Smartwatches oder bei Satelliten. Dort machten die Vorteile der neuen Technologie den höheren Preis mehr als wett.

Investoren gesucht

Die Forscher sind nicht die einzigen, die das Potenzial ihres Produkts als hoch einstufen. BTRY wurde von der Innosuisse gefördert und schaffte es in den Business Incubator der Europäischen Weltraumorganisation (ESA). Außerdem erhielt Aribia ein »Empa Entrepreneur Fellowship«, das junge Forschende für ein Jahr bei der Firmengründung unterstützt.

Doch bevor die ersten Dünnschichtbatterien ins Weltall fliegen oder Handys mit Strom versorgen, steht sowohl administrativ als auch technisch noch einiges an. In der Zwischenzeit nutzen die beiden Gründer die Maschinen am »Coating Competence Center« der Empa, um ihre Batterieprototypen größer und leistungsfähiger zu machen und potenziellen Geldgebern zu zeigen, dass sich die Investition lohnt.

In den nächsten zwei Jahren wollen die Forscher sowohl die Fläche als auch die Anzahl Schichten steigern. »Zurzeit bestehen unsere Batterien erst aus zwei Schichten von nur etwa 1 mm × 3 mm«, erklärt Aribia. »Als Nächstes wollen wir eine Batterie von rund einem Quadratzentimeter mit zwei bis drei Schichten herstellen. Damit können wir noch keinen Satelliten betreiben – aber wir können sehr wohl zeigen, dass unsere Technologie skalierbar ist.«