Schweizer Empa-Spin-off setzt auf neue Dünnschicht-Festkörperbatterien

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Dübendorf - Lithium-Ionen-Akkus werden derzeit nahezu überall eingesetzt. Dennoch ist die Batterietechnologie nicht für alle Anwendungen ideal. Festkörperbatterien auf Dünnschichtbasis konnten bisher nur wenig Energie speichern. Das soll sich mit einer Herstellungsmethode ändern wie sie bei der Produktion von Halbleiterchips und Glasbeschichtungen angewendet wird.

Für die Forschenden Abdessalem Aribia und Moritz Futscher von der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) ist es an der Zeit, Batterietechnologie neu zu denken. Sie setzen auf eine neuartige Dünnschicht-Feststoffbatterie auf Lithiummetallbasis. Zwar ist die Technologie grundsätzlich nicht neu, es ist aber gelungen, die Speicherkapazität deutlich zu erhöhen.

Empa-Spin-off „BTRY“ entwickelt neue Dünnschichtbatterie
Die im Empa-Labor „Thin Films and Photovoltaics“ entwickelte Feststoffbatterie auf Lithiummetallbasis bringt danach 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.

Diese vielversprechende Technologie wollen Aribia und Futscher nun auf den Markt bringen. Gemeinsam mit Laborleiter Yaroslav Romanyuk haben sie ein Spin-off namens „BTRY“ (ausgesprochen „battery“) gegründet.

Dünnschicht-Festkörperbatterien im Labor: Forschende erhöhen Kapazität
Die neuartige Batterie ist eine Dünnschicht-Festkörperbatterie. Zwar ist die Technologie an sich ist nicht neu, denn 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 nun gelungen, die Dünnschichtzellen aufeinander zu stapeln und somit ihre Kapazität zu erhöhen. Damit wird die Batterie für kommerzielle Anwendungen interessant.

Die Herstellung der Dünnschichtzellen erfolgt dabei 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, denn im Unterschied zur traditionellen Kochtopf-Methode der Batterieherstellung fallen dieser Produktion keine toxischen Lösungsmittel.

Markt für spezielle Anwendungen - Skalierung angestrebt
In den nächsten zwei Jahren wollen die Forschenden sowohl die Fläche als auch die Anzahl Schichten steigern. „Zurzeit bestehen unsere Batterien erst aus zwei Schichten von nur etwa 1×3 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.“

Die Dünnschichtbatterie ist aber noch deutlich teurer als vergleichbare Batterien. Ihre Anwendung sehen die Forscher deshalb derzeit 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.