Die Akku-Revolutionäre
Dünnschichtbatterien sind sicherer und langlebiger als Lithium-Ionen-Akkus – und lassen sich in einer Minute wieder aufladen.
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
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