Dünnschichtbatterie könnte Lithium-Ionen-Akkus ersetzen
BTRY ist ein Spin-off der Empa und will besondere Dünnschichtbatterien produzieren: Sie sollen sicherer als herkömmliche Akkus sein und sich in nur einer Minute aufladen lassen. Die Forschenden beschreiben sie außerdem als besonders langlebig.
Die einzelnen Zellen des neuen Akkus sind nur 1 mal 3 Millimeter groß.
Foto: Empa
Ohne Lithium-Ionen-Akkus würde unser Alltag nicht funktionieren. Sie stecken unter anderem in Smartphone, Laptobs, Wearables und Autos. Ihre Vielseitigkeit und Leistungsfähigkeit ist enorm, aber gleichzeitig gelten sie als problematisch. Das beginnt mit der großen Brandgefahr, die vor allem im Zusammenhang mit Elektroautos als gefährlich gilt. Die Akkus reagieren aber auch empfindlich auf Überspannung und verträgt weder Hitze noch Kälte gut. Außerdem nimmt die Kapazität der Batterien mit jedem Lade- und Entladezyklus ab. Für Abdessalem Aribia und Moritz Futscher, die bei der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) im Labor „Thin Films and Photovoltaics“ arbeiten, sind das gute Argumente, um eine Alternative zu entwickeln. Ihr innovativer Akku soll viele Vorteile auf sich vereinen.
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Dünnschichtbatterie gewinnt Leistung durch Stapelverfahren
Bei dem neuen Akku handelt es sich um eine Dünnschichtfestkörperbatterie. Das Prinzip ist schon lange gut bekannt, hatte bislang aber keine große Relevanz für den Batterie-Markt. Denn wie der Name vermuten lässt, ist eine Zelle im Normalfall nur wenige Mikrometer dick und hat daher keine große Speicherkapazität. Die Forschenden haben es jedoch geschafft, Dünnschichtzellen zu stapeln und auf diese Weise ihre Kapazität zu erhöhen.
Die Herstellung der Dünnschichtzellen erfolgt über eine Vakuumbeschichtung. Dabei werden die Materialien im ersten Schritt in einer Vakuumkammer zu einzelnen Atomen zerstäubt, die sich dann in einer dünnen Schicht auf dem Zielsubstrat absetzen. Das ist eine Herstellungsmethode, die beispielsweise für die Produktion von Halbleiterchips und Glasbeschichtungen angewendet wird. „Das ist ein Vorteil für uns, denn die Maschinen und das Know-how für die Herstellung unserer Batterie sind weitgehend vorhanden“, sagt Futscher.
Das Verfahren gilt im Vergleich zur herkömmlichen Batterie-Herstellung außerdem als umweltfreundlich, weil keine toxischen Lösungsmittel anfallen.
Dünnschichtbatterie hält zehnmal so lange wie Lithium-Ionen-Akku
Im Ergebnis entsteht ein Akku, der laut der Wissenschaftler mehr als zehnmal so lange hält wie die marktüblichen Lithium-Ionen-Akkus und innerhalb einer Minute auf- und entladen werden kann. Außerdem soll er unempfindlich gegenüber Temperaturschwankungen sein. Sicherer ist er auch, denn er ist nicht brennbar – bei mechanischen Beschädigungen geht von ihm keine Gefahr aus. „Wenn man unsere Batterie mit einer Schere durchschneidet, hat man einfach zwei halb so gute Batterien“, sagt Aribia.
Die vielen Vorteile haben allerdings ihren Preis. Durch das besondere Herstellungsverfahren kosten die Dünnschicht-Akkus mehr als ihre traditionellen Vettern. Die Forschenden haben daher vor allem Einsatzgebiete im Blick, bei denen der Preis der Batterie nur einen geringen Anteil an den Gesamtkosten des Geräts hat, etwa bei Smartphones und Smartwatches oder auch bei Satelliten. Gerade bei Geräten, die Nutzende im Alltag mit sich herumtragen und sie wetterbedingt unterschiedlichen Bedingungen aussetzen, könnte eine große Bereitschaft bestehen, ein paar Euro extra zu bezahlen, wenn der Akku dafür zuverlässiger Energie liefert.
Batterie soll schnell zur Marktreife gebracht werden
Aribia und Futscher haben nun gemeinsam mit Laborleiter Yaroslav Romanyuk das Spin-off namens «BTRY» (ausgesprochen «battery») gegründet, um ihren Akku möglichst schnell zur Marktreife zu bringen. Zwei Jahre geben sich die Wissenschaftler Zeit, um die Fläche der Batterie zu vergrößern und parallel die Zahl der gestapelten Schichten zu 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.“ Er ist optimistisch, dass sich schnell genug Investoren finden werden, die dazu beitragen, das Projekt voranzutreiben.
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