An der Empa entwickeln Forschende neue Konzepte für die nächste Akku-Generation. Für mobile Anwendungen setzen sie auf eine Festkörperbatterie, die keinen flüssigen Elektrolyten mehr enthält und deshalb nicht brennen oder gar explodieren kann. In stationären Energiespeichern soll das teure Lithium durch günstigere, reichlich vorhandene Stoffe ersetzt werden.

Maksym Kovalenko, Professor für Anorganische Funktionsmaterialien (r.), und Dr. Corsin Battaglia, Leiter der Abteilung «Materials for Energy Conversion». (Fotos: Kellenberger Kaminski Photographie)

Lithium-Ionen-Batterien dominieren den Akku-Markt. Sie stecken im Smartphone und im Computer, aber auch im Elektroauto oder werden bereits jetzt zur dezentralen Speicherung von Solarenergie an der EPFL eingesetzt. «Entwickelt wurden diese Batterien vor allem für tragbare, elektronische Geräte, dort lösten sie eine technische Revolution aus», sagt Empa-Forscher Corsin Battaglia. «Doch nun wollen wir die nächste Generation von Batterien entwickeln, die sich besser für neue Anwendungen eignen, etwa im Bereich Mobilität und für die stationäre Energiespeicherung, zum Beispiel im Gebäudebereich.»

Doch die Anforderungen sind sehr unterschiedlich. Im Elektroauto möchte man – wie im Mobiltelefon – eine möglichst kompakte Batterie. «Da ist die Energiedichte entscheidend», so der Leiter des Labors «Materials for Energy Conversion». Batterien, die Sonnen- oder Windenergie speichern, müssen hingegen vor allem kostengünstig sein, denn schliesslich soll die Speicherung der Energie viel günstiger sein als deren Produktion. «Und dafür braucht es Material, das reichlich vorhanden ist», ergänzt Maksym Kovalenko, der als Professor der ETH Zürich auch an der Empa forscht. «Wenn wir für die Energiewende 2050 so viel erneuerbare Energie speichern wollen, wie heute ein Kernkraftwerk liefert, dann brauchen wir tonnenweise Batterien. Mit Lithium wird das nicht funktionieren.»

Zum Patent angemeldet

Weltweit wird daran gearbeitet, Lithium beispielsweise durch Natrium oder Magnesium zu ersetzen. Kovalenko, dessen Arbeiten mehrfach ausgezeichnet wurden, und sein Team entwickeln eine Batterie, die aus Aluminium und künstlich hergestelltem Kohlenstoff (Graphit), Chlor sowie organischen Lösungen besteht. Die Energiedichte sei zwar nur halb so hoch wie bei einer Lithium-Batterie, doch die verwendeten Materialien seien viel billiger, sagt der Forscher, «sie gehören zu den 15 häufigsten Elementen auf der Erde.» Nach drei Jahren Entwicklungsarbeit hat Kovalenko 2016 ein Patent für seine Erfindung eingereicht.

In den Labors an der Empa werden die neuen Konzepte in Experimenten umgesetzt und getestet. Als besonderen Leistungstest müssen kleine Versuchsbatterien eine Drohne zum Fliegen bringen. Für mobile Anwendungen werden sich die günstigen, aber nicht besonders leistungsstarken Batterien von Kovalenkos Team allerdings nicht etablieren. Dafür verfolgt sein Kollege Corsin Battaglia eine andere Idee, die zusätzlich mehr Sicherheit bietet. «Die heutigen Lithium-Ionen-Batterien haben alle einen flüssigen Elektrolyten im Innern, der die positive und die negative Seite verbindet», erklärt der Fachmann. Diese Batterien können auslaufen, und – noch schlimmer – die Flüssigkeit kann sich entzünden und der Akku sogar explodieren. So müssen immer wieder Handy- und Laptop-Batterien zurückrufen werden.

Festkörper statt flüssiger Elektrolyt

«Wir entwickeln hier an der Empa Batterien, die keine Flüssigkeit im Innern mehr haben», erklärt Battaglia. Der Elektrolyt wird durch einen festen, nicht brennbaren Stoff ersetzt, so dass die gesamte Batterie aus einem Block Material besteht. «Das erhöht die Sicherheit und man hofft, auch eine höhere Kapazität oder Energiedichte erreichen zu können», sagt der Fachmann. Dabei setzen die Forschenden weiterhin auf Lithium, aber in anderer Form. Bei den heutigen Lithium-Ionen-Batterien muss das Leichtmetall als Elektrodenmaterial in Graphit eingelagert werden. Sonst bilden sich beim Hin- und Herwandern der Lithium-Ionen zwischen den Elektroden zweigartige Auswüchse wie bei einem Baum, sogenannte Dendriten. Dies kann zu einem Kurzschluss führen.

Bei der Festkörperbatterie wollen die Forschenden reines Lithium-Metall als Elektrodenmaterial verwenden und dadurch eine höhere Energiedicht erreichen. Das Problem der Dendriten ist zwar auch da noch nicht gelöst. «Aber es gibt vielversprechende Ideen», sagt Corsin Battaglia. Obwohl Lithium zurzeit der Favorit der internationalen Forschergemeinde ist, kommen auch andere Elemente in Frage. «Kein physikalisches Prinzip schliesst aus, dass Festkörperbatterien nicht mit Natrium oder Magnesium hergestellt werden könnten», sagt der Forscher. «Wir haben bereits erste Resultate in dieser Richtung.»

Auf Dünnschicht-Technologie bauen

Neben diesen Projekten, die sich mit grundlegenden Forschungsfragen befassen, entwickelte die Empa bisher vor allem Materialien oder Prozesse für die Herstellung der heute gängigen Batterien. «Wir haben aber nie ganze Batterien hergestellt», sagt Pierangelo Gröning, Departementsleiter «Moderne Materialien und Oberflächen» und Leiter des Empa-Forschungsschwerpunkts «Nanostrukturierte Materialien». Das soll sich nun ändern. «Wir möchten in den nächsten Jahren einen eigenen Batterietyp entwickeln», sagt Gröning. Das Prinzip der Festkörperbatterie ist dazu bestens geeignet. «Man kann sich dabei auf solide Materialwissenschaften konzentrieren, was unsere Stärke ist», so der Departementsleiter.

Damit die Ionen gut durch den Festkörperelektrolyten dringen, muss dieser möglichst dünn sein. Deshalb verwenden die Forschenden eine Dünnschicht-Technologie, welche die Empa bereits seit Jahren bei der Herstellung von Solarzellen einsetzt. Jede Schicht wird durch einen Verdampfungsprozess aufgebracht. So entsteht eine Sandwichstruktur. Ausgangspunkt für die Dünnfilm-Batterie sind bekannte Konzepte und Materialien. «Also nichts ganz Neues», gibt Gröning zu, aber, «der Fertigungsprozess spielt dabei eine genauso wichtige Rolle wie die Wahl des Materials.»

Entscheidend sind die Grenzflächen, an denen die verschiedenen Festkörper aufeinandertreffen. «Aufgrund unseres Know-hows können wir solche Systeme gut verstehen und beherrschen», sagt der Experte. Das Projekt ist typisch für die moderne Materialforschung, in der Stoffe im Wechselspiel mit dem Verarbeitungsprozess betrachtet werden. «Ein Werkstoff muss Sinn machen, sonst ist es nur eine Substanz», sagt Pierangelo Gröning.

Strom für tragbare Elektronik

Das Endprodukt der Empa-Forschenden ist eine biegsame Folie mit Elektroden. Rollt man die Dünnfilm-Batterie auf, gleicht sie einem herkömmlichen Akku. Im Prinzip liessen sich daraus auch grössere Batterien herstellen, doch die Entwickler setzen in erster Linie auf die ursprüngliche Form als Folie und wollen diese beispielsweise in Textilien integrieren. Für trendige «Wearable Electronics» eignet sich der Dünnfilm-Akku besonders, weil er sich gut einarbeiten lässt und nicht entflammbar ist. Erste Musterbatterien beweisen, dass das Prinzip funktioniert. Als nächstes müssen die Forschenden Leistungsdichte und Kapazität vergrössern. Der Departementsleiter rechnet bereits Ende 2017 mit «sehr aussagekräftigen Resultaten».

Um das Produkt marktreif zu machen, muss zudem das gesamte Batterie-System optimiert werden. Neben den bekannten Aufdampfprozessen könnten auch nasschemische Verfahren, wie man sie aus der 3D-Drucktechnik kennt, eingesetzt werden. «Es gilt viele prozesstechnische Fragen zu beantworten, damit jede Schicht die bestmögliche Materialeigenschaft hat», erklärt der Fachmann. Entscheidend sei aber, dass das System eines Tages in grossen Mengen zu einem vernünftigen Preis produziert werden könne: «Wir sprechen da nicht von Hunderten von Metern Folie, sondern von Hunderten von Kilometern, die man herstellen muss, um im Markt eine Chance zu haben.»