Die Elektrifizierung vieler Lebensbereiche führt zu einer steigenden Nachfrage nach leistungsfähigen Batterien. Zwei ETH-Spin-offs machen in diesem Bereich von sich reden: Während BTRY hocheffiziente Festkörperbatterien entwickelt, arbeitet 8inks an einem neuen Standard für die Produktion.
Um den CO2-Ausstoss zu senken, gilt es künftig zahlreiche Lebensbereiche zu elektrifizieren und erneuerbare Energien aus Wind und Sonne speichern. Dafür sind Batterien unerlässlich, die nicht nur leistungsfähig 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 dünn wie eine Folie
Herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien, wie sie aktuell in Smartphones oder Notebooks verbaut werden, haben einen flüssigen Elektrolyten in ihrem Inneren. Dieser Umstand macht die Batterien empfindlich gegenüber Temperaturschwankungen, sodass sie beispielsweise bei zu hohen Temperaturen leicht entflammbar sind. Zudem benötigt es bei den herkömmlichen Batterien eine Weile, bis sie wieder aufgeladen sind.
Moritz Futscher und Abdessalem Aribia, die beiden Gründer von BTRY, haben deshalb eine Festkörperbatterie entwickelt, die aus dünnen Schichten besteht, was die Ladezeit um ein Vielfaches verkürzen kann. Die beiden Forschenden verzichten sowohl beim Herstellungsprozess als auch bei den Komponenten ihrer Batterie vollständig auf Flüssigkeiten. Festkörperbatterien, wie sie BTRY derzeit entwickelt, haben den grossen Vorteil, dass sie sehr resistent gegenüber Temperaturschwankungen sind. Sie können daher sowohl bei sehr hohen Temperaturen, zum Beispiel in Sensoren, die Dampflecks aufspüren, 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. Hauchdünne Batteriezellen werden im Vakuum übereinandergestapelt. Die einzigartige Methode ermöglicht ein schnelles Aufladen der fertigen Batterie in etwa einer Minute. Zudem verspricht der Aufbau der Batterie eine etwa zehnmal längere Lebensdauer als die einer herkömmlichen Batterie. Die Schichten sind so dünn, dass das fertige Produkt, das wie eine Folie aussieht, dünner als ein Haar ist. "Aktuell verwenden wir für die Produktion unserer Batterien noch Maschinen im Labormassstab und unsere Batterien hatten im Labor die Grösse eines Stecknadelkopfs. In etwa zwei Jahren möchten wir aber eine eigene Pilotproduktion in der Schweiz aufgebaut haben und uns langfristig zu einem globalen Batteriehersteller entwickeln", führt Moritz Futscher aus. Dabei sollen die Batterien in allen möglichen 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 möchte es den seit 30 Jahren etablierten und grösstenteils unveränderten Herstellungsstandard von Lithium-Ionen-Batterien, das sogenannte Schlitzdüsenverfahren, ablösen. Paul Baade, der Gründer von 8inks, hat eine Technik entwickelt, die sich "Mehrlagen-Vorhang-Beschichtung" nennt (engl. "Multilayer-Curtain-Coating"). Indem man mehrere dünnere Schichten des Aktivmaterials, in dem die Lithium-Ionen gespeichert sind, aufträgt, lässt 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 Festkörperbatterien. Ein weiterer Vorteil seines Verfahrens ist zudem, dass sich die Beschichtungsgeschwindigkeit der Batterieelektrode enorm beschleunigen lässt und so bestens für 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 grösseren industriellen Massstab, beispielsweise für Batterien in Elektroautos. "Wir möchten mit unserem Herstellungsverfahren Lösungen zur Speicherung von erneuerbaren Energien bauen. Nur so lässt sich der enorm gestiegene Bedarf an leistungsfähigen Batterien langfristig decken", sagt Baade. In der Zukunft möchte sich 8inks so weit auf dem Markt etabliert haben, dass ihre Technologie ein neuer Standard in der Batterieherstellung geworden ist.
Beide Spin-offs planen ihre Zukunft in der Schweiz. Die Nähe zur Forschung und gut ausgebildete Hochschulabgänger:innen ermöglichen es Batterieherstellern da, qualitativ hochstehende (Nischen-)Produkte auf den Markt zu bringen.
Für BTRY, die ihre Batterien im Vakuum mit einer Herstellungstechnik aus der Halbleiterfertigung produzieren, ist die Schweiz als Standort besonders attraktiv, weil das Land für 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 tätig sind. So werden wir Synergien und bereits vorhandenes Know-how nutzen können", erläutert Moritz Futscher.
Auch Paul Baade von 8inks sieht die Zukunft seines Unternehmens in der Schweiz: "Wenn es um das Thema exzellente Produktionsverfahren geht, können wir hierzulande auf eine sehr gute Grundlage aufbauen. Zahlreiche Firmen entwickeln genau die qualitativ hochstehende Hardware beziehungsweise Geräteteile, mit denen wir langfristig unsere Produktionssysteme bauen und vermarkten können."
Ressourcenschonende Produktion
Nachhaltigkeit spielt bei beiden Spin-offs eine zentrale Rolle. Dazu gehört unter anderem ein CO2-neutraler Herstellungsprozess mit möglichst geringem Einsatz von Rohstoffen wie Kobalt oder Lithium. Abdessalem Aribia, Mitgründer von BTRY, sagt: "Es bestehen zwar gewisse Abhängigkeiten 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 Abhängigkeit von ausländischen Produzenten zu verringern." Das ETH-Spin-off 8inks hingegen hält durch eine massgeschneiderte Produktion den Energieaufwand so gering wie möglich und kann gleichzeitig eine unnötige Materialverschwendung vermeiden. Zudem versuchen sie beispielsweise auch, den Anteil der Lösungsmittel soweit möglich herunterzusetzen. Beide Spin-offs zeigen, dass Nachhaltigkeit und Effizienz Hand in Hand gehen können – ein vielversprechender Weg in die Zukunft.
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Das neue Beschichtungsverfahren in mehreren Lagen spart Zeit. (Video: 8inks)
