Die Akku-Revolutionäre

Lithium-Ionen-Akkus sind überall: von Smartphones und Laptops über Autos bis hin zu Satelliten, die um die Erde kreisen. Es ist die derzeit ausge­reifteste Batterie­technologie. Dennoch ist sie nicht für alle Anwendungen ideal. Lithium-Ionen-Batterien büßen mit jedem Lade- und Entlade­zyklus an Kapazität ein, laden sich verhältnis­mäßig langsam auf und funktionieren nur in einem engen Temperatur­bereich richtig gut.

Aus Sicht der von Abdessalem Aribia und Moritz Futscher, Forscher am Labor „Thin Films and Photo­voltaics“ der Eidge­nössischen Material­prüfungs- und Forschungs­anstalt EMPA ist es daher an der Zeit, Batterie­technologie neu zu denken. Im Vergleich zu anderen bestehenden oder sich entwickelnden Technologien bringt ihre Feststoff­batterie auf Lithium­metall­basis einige wesentliche Vorteile mit sich. Beispiels­weise kann sie innerhalb von einer Minute auf- und wieder entladen werden, hält rund zehnmal so lang wie ein Lithium-Ionen-Akku und ist unempfindlich gegenüber Temperatur­schwankungen.

Außerdem ist sie im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Akkus nicht brennbar – ein großer Vorteil, 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 äußerst schwer zu löschen ist. „Wenn man dagegen unsere Batterie mit einer Schere durchschneidet“, sagt Aribia, „hat man einfach zwei halb so gute Batterien.“

Diese vielversprechende Technologie wollen Aribia und Futscher nun auf den Markt bringen. Gemeinsam mit Laborleiter Yaroslav Romanyuk haben sie das Spin-off BTRY gegründet. Die neuartige Batterie ist eine Dünnschicht­festkörper­batterie. Die Technologie an sich ist nicht neu: Solche Batterien sind bereits seit den 1980er-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 gelungen, die Dünnschicht­zellen aufeinander zu stapeln und somit ihre Kapazität zu erhöhen.

Damit wird die Batterie interessant für kommerzielle Anwendungen. 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“, sagt Futscher. „Das ist ein Vorteil für uns, denn die Maschinen und das Know-how für die Herstellung unserer Batterie sind weitgehend vorhanden.“

Die hochpräzise Herstellungs­methode hat einen weiteren Vorteil. „Im Gegensatz zur traditionellen Kochtopf-Methode der Batterie­herstellung fallen bei unserer Produktion keine toxischen Lösungsmittel an“, erläutert Aribia. 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 machen die Vorteile unserer Technologie den höheren Preis mehr als wett“, ist Aribia überzeugt.

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. 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 mal 3 Millimetern“, sagt 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.“

EMPA / RK

Weitere Infos

• Laboratory for Thin Films and Photovoltaics, Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt, Dübendorf, Schweiz