ETH-Spin-offs entwickeln leistungsfähigere Batterien

Um unseren CO₂-Ausstoss zu senken, m¨¹ssen wir zahlreiche Lebensbereiche elektrifizieren und erneuerbare Energien aus Wind und Sonne speichern. Daf¨¹r sind Batterien unerl?sslich, die nicht nur leistungsf?hig sind, sondern auch wiederverwertbar und nachhaltig. Denn mit der rasant wachsenden Nachfrage nach Batterien steigt auch der Bedarf an knappen Rohstoffen wie Lithium. Die ETH-Spin-offs BTRY und 8inks haben dieses Problem erkannt und arbeiten an der Batterie der Zukunft, indem sie neuartige Produktionsmethoden und Herstellungsverfahren anwenden.

So d¨¹nn wie eine Folie

Herk?mmliche Lithium-Ionen-Batterien, wie sie aktuell in Smartphones oder Notebooks verbaut werden, haben einen fl¨¹ssigen Elektrolyten in ihrem Inneren. Dieser Umstand macht die Batterien empfindlich gegen¨¹ber Temperaturschwankungen, sodass sie beispielsweise bei zu hohen Temperaturen leicht entflammbar sind. Zudem ben?tigt es bei den herk?mmlichen Batterien eine Weile, bis sie wieder aufgeladen sind.

Moritz Futscher und Abdessalem Aribia, die beiden Gr¨¹nder von BTRY, haben deshalb eine Festk?rperbatterie entwickelt, die aus d¨¹nnen Schichten besteht, was die Ladezeit um ein Vielfaches verk¨¹rzen kann. Die beiden Forschenden verzichten sowohl beim Herstellungsprozess als auch bei den Komponenten ihrer Batterie vollst?ndig auf Fl¨¹ssigkeiten. Festk?rperbatterien, wie sie BTRY derzeit entwickelt, haben den grossen Vorteil, dass sie sehr resistent gegen¨¹ber Temperaturschwankungen sind. Sie k?nnen daher sowohl bei sehr hohen Temperaturen, zum Beispiel in Sensoren, die Dampflecks aufsp¨¹ren, als auch bei sehr niedrigen Temperaturen, wie sie beim Transport von Medikamenten auftreten, eingesetzt werden.

Die Batterie stellen die Mitarbeitenden vom Spin-off mit einem speziellen Beschichtungsverfahren aus der Halbleiterfertigung her. Hauchd¨¹nne Batteriezellen werden im Vakuum ¨¹bereinandergestapelt. Die einzigartige Methode erm?glicht ein schnelles Aufladen der fertigen Batterie in etwa einer Minute. Zudem verspricht der Aufbau der Batterie eine etwa zehnmal l?ngere Lebensdauer als die einer herk?mmlichen Batterie. Die Schichten sind so d¨¹nn, dass das fertige Produkt, das wie eine Folie aussieht, d¨¹nner als ein Haar ist. ?Aktuell verwenden wir f¨¹r die Produktion unserer Batterien noch Maschinen im Labormassstab und unsere Batterien hatten im Labor die Gr?sse eines Stecknadelkopfs. In etwa zwei Jahren m?chten wir aber eine eigene Pilotproduktion in der Schweiz aufgebaut haben und uns langfristig zu einem globalen Batteriehersteller entwickeln?, f¨¹hrt Moritz Futscher aus. Dabei sollen die Batterien in allen m?glichen Bereichen zum Einsatz kommen: sei dies in Sensoren im Bereich Internet der Dinge, in der Unterhaltungselektronik oder auch in der Raumfahrt.

Neues Beschichtungsverfahren als Industriestandard

Das ETH-Spin-off 8inks hebt sich dagegen durch seine neuartige Produktionstechnologie von anderen Batterieherstellern ab. Mit dieser m?chte es den seit 30 Jahren etablierten und gr?sstenteils unver?nderten Herstellungsstandard von Lithium-Ionen-Batterien, das sogenannte Schlitzd¨¹senverfahren, abl?sen. Paul Baade, der Gr¨¹nder von 8inks, hat eine Technik entwickelt, die sich ?Mehrlagen-Vorhang-Beschichtung? nennt (engl. ?Multilayer-Curtain-Coating?). Indem man mehrere d¨¹nnere Schichten des Aktivmaterials, in dem die Lithium-Ionen gespeichert sind, auftr?gt, l?sst sich das Beschichtungsverfahren auf die jeweiligen Vorgaben massschneidern. Durch die Vielfalt in der Dicke oder den Materialeigenschaften der einzelnen Lagen hilft das Verfahren unter anderem bei der Skalierung von Festk?rperbatterien. Ein weiterer Vorteil seines Verfahrens ist zudem, dass sich die Beschichtungsgeschwindigkeit der Batterieelektrode enorm beschleunigen l?sst und so bestens f¨¹r die steigende Nachfrage geeignet ist.

Derzeit testen die Mitarbeitenden von 8inks unterschiedliche Formate, von Knopfzellen bis zu sogenannten ?Pouchzellen?, wie sie in Smartphones verbaut werden. Die Technologie soll skalierbar werden, bis hin zu einem gr?sseren industriellen Massstab, beispielsweise f¨¹r Batterien in Elektroautos. ?Wir m?chten mit unserem Herstellungsverfahren L?sungen zur Speicherung von erneuerbaren Energien bauen. Nur so l?sst sich der enorm gestiegene Bedarf an leistungsf?higen Batterien langfristig decken? sagt Baade. In der Zukunft m?chte sich 8inks so weit auf dem Markt etabliert haben, dass ihre Technologie ein neuer Standard in der Batterieherstellung geworden ist.

Das Potenzial des Schweizer Batterienmarktes aussch?pfen

Beide Spin-offs planen ihre Zukunft in der Schweiz. Die N?he zur Forschung und gut ausgebildete Hochschulabg?nger:innen erm?glichen es Batterieherstellern hierzulande, qualitativ hochstehende (Nischen-)Produkte auf den Markt zu bringen.

F¨¹r BTRY, die ihre Batterien im Vakuum mit einer Herstellungstechnik aus der Halbleiterfertigung produzieren, ist die Schweiz als Standort besonders attraktiv, weil das Land f¨¹r seine Vakuumindustrie bekannt ist. ?Es gibt sogar den Ausdruck ?Vacuum Valley?, mit dem das St. Galler Rheintal bezeichnet wird. Dort sind viele Unternehmen angesiedelt, die in den Segmenten Vakuumtechnologie, Halbleiterfertigung und Beschichtungsverfahren t?tig sind. So werden wir Synergien und bereits vorhandenes Know-how nutzen k?nnen?, f¨¹hrt Moritz Futscher aus.

Auch Paul Baade von 8inks sieht die Zukunft seines Unternehmens in der Schweiz: ?Wenn es um das Thema exzellente Produktionsverfahren geht, k?nnen wir hierzulande auf eine sehr gute Grundlage aufbauen. Zahlreiche Firmen entwickeln genau die qualitativ hochstehende Hardware beziehungsweise Ger?teteile, mit denen wir langfristig unsere Produktionssysteme bauen und vermarkten k?nnen.?

Ressourcenschonende Produktion

Nachhaltigkeit spielt bei beiden Spin-offs eine zentrale Rolle. Dazu geh?rt unter anderem ein CO₂-neutraler Herstellungsprozess mit m?glichst geringem Einsatz von Rohstoffen wie Kobalt oder Lithium. Abdessalem Aribia, Mitgr¨¹nder von BTRY, sagt: ?Es bestehen zwar gewisse Abh?ngigkeiten vom Ausland, wenn man beispielsweise an begrenzte Rohstoffe wie Lithium denkt. Gleichzeitig sind wir bei BTRY bestrebt, mittelfristig nachhaltigere Materialien einzusetzen und so auch die Abh?ngigkeit von ausl?ndischen Produzenten zu verringern.? Das ETH-Spin-off 8inks hingegen h?lt durch eine massgeschneiderte Produktion den Energieaufwand so gering wie m?glich und kann gleichzeitig eine unn?tige Materialverschwendung vermeiden. Zudem versuchen sie beispielsweise auch, den Anteil der L?sungsmittel soweit m?glich herunterzusetzen. Beide Spin-offs zeigen, dass Nachhaltigkeit und Effizienz Hand in Hand gehen k?nnen ¨C ein vielversprechender Weg in die Zukunft.