Elektroautos, Energiespeicher, Smartphones und Laptops: In allen von ihnen stecken Batterien – und die Welt verlangt immer mehr davon.
Angetrieben wird die steigende Nachfrage vor allem durch Elektrofahrzeuge. 2021 hat sich der Absatz der Neuwagen im Vergleich zu 2020 auf 6,6 Millionen verdoppelt. Und diese Zahl wird sich vervielfachen, auch, weil die EU-Kommission soeben das Aus des Verbrennungsmotors bis 2035 besiegelt hat.
Bleibt alles beim Alten, wird vor allem China von dieser Entwicklung profitieren. 75 Prozent aller Lithium-Ionen-Batterien, die unangefochtenen Marktführer unter den Batterietypen, werden dort hergestellt. Auch Korea und Japan besitzen einen beträchtlichen Anteil an der Lieferkette.
Aus dieser Abhängigkeit will sich Europa befreien und ist in das Rennen um die Batterie von morgen schon eingestiegen. Nun auch die Schweiz: Am Mittwoch wurde am Technologie-Innovationszentrum CSEM in Neuenburg der Battery Innovation Hub offiziell eröffnet. «Wir bringen die innovativsten Köpfe mit Industriepartnern zusammen, um die besten Ideen zur Produktionsreife zu bringen», sagt Andreas Hutter, Leiter der Forschungsgruppe Energiesysteme am CSEM. Die Vision: leistungsfähigere und langlebigere Batterien, die sicherer und günstiger sind als die heutigen.
Es ist nicht so, dass es in der Schweiz an guten Ideen für bessere Batterien mangelt. An den beiden ETH in Zürich und Lausanne sowie an der Materialprüfungsanstalt Empa in Dübendorf entstehen Publikationen, Master- und Doktorarbeiten zuhauf, auch Prototypen und Patente. Doch es gibt eine grosse Kluft zwischen der akademischen Forschung und ihrer Überführung in die Wertschöpfungskette.
Denn dabei handle es sich um einen langwierigen Prozess, der Zeit und Kontinuität verlange, sagt Hutter. Dinge, die in der Forschung fehlten, weil Projekte oftmals nur auf drei, vier Jahre angesetzt seien. «Springt dann kein Industriepartner auf, verschwindet die Idee in der Schublade.»
Als Bindeglied zwischen Forschung und Industrie will der Hub dem entgegenwirken.
In der Tat liegt die Rolle des Brückenbauers in der DNA des CSEM. Sein Vorgängerunternehmen, das Centre Électronique Horloger (CEH) in Neuenburg, hat 1967 die erste Quarzuhr weltweit entwickelt. Nur: Die Schweizer Uhrenindustrie hat den Wert dieser mit Batterien angetriebenen Uhren nicht erkannt und setzte weiterhin auf die Perfektionierung der mechanischen Uhr.
Ein Fehler, wie sich bald herausstellte: Die Japaner ergriffen die Chance und trieben die Quarzuhr-Technologie zur Marktreife. Diese billigen Uhren überschwemmten den Markt, worauf zahlreiche Schweizer Uhrmanufakturen in 70er- und 80er-Jahren untergingen.
Der Bund war alarmiert und wollte tunlichst vermeiden, dass so etwas nochmals passiert. Deshalb wurde 1984 das Centre Suisse d’Électronique et de Microtechnique gegründet, das CSEM, mit der Mission, Technologien in die Wirtschaft zu transferieren.
Ein Beispiel einer erfolgreichen Zusammenarbeit ist die Entwicklung ultraleichter Solarfolien für das Schweizer Elektroflugzeug Solarstratos. Ein anderes die Herstellung eines Ziffernblatts für Tissot-Uhren, welches Sonnenlicht in elektrische Energie umwandelt.
Und nun also ist das Zeitalter der Batterien angebrochen. «Bei Batterien ist der Prozess von der Idee bis zur industriellen Produktion besonders langwierig», sagt Hutter. Doch: «Die Unternehmen sind derzeit komplett absorbiert mit der Markteinführung der aktuellen Batterietechnologie.» Da fehle die Kapazität, auch noch in Erfindungen zu investieren.
Doch die braucht es. Denn die auf dem Markt verfügbaren Lithium-Ionen-Batterien haben ihr physikalisches Limit praktisch erreicht und ihr Potenzial hinsichtlich Leistungsfähigkeit und Lebensdauer beinahe ausgeschöpft. Weltweit wird daher an neuen Technologien geforscht, etwa, indem versucht wird, Lithium mit Elementen wie Natrium, Magnesium oder Aluminium zu ersetzen.
Aber: «Solche Batterien sind noch weit davon entfernt, einer Lithium-Batterie ernsthaft Konkurrenz zu machen», sagt Hutter. Als vielversprechender schätzt er die Weiterentwicklung der Lithium-Ionen-Technologie ein, hin zu einer Festkörperbatterie, bei der der bislang flüssige Elektrolyt durch einen festen ersetzt werden soll. «Das ist die Technologie, mit der wir auf den Markt wollen», sagt Hutter. Er rechnet damit, dass dies in rund fünf bis zehn Jahren geschehen dürfte.
Festkörperbatterien versprechen mehr Sicherheit, da sie keine entflammbare Flüssigkeit enthalten. Eine höhere Speicherdichte wird dadurch erreicht, indem der Grafit in der Anode, dem Minuspol der Batterie, mit hauchdünnen metallischen Lithiumfolien ersetzt wird.
Eine Schwachstelle bei dieser Technologie ist derzeit noch, dass sich an der Anode sogenannte Lithium-Dendrite bilden. Das sind kleine, nadelartige Strukturen, die sich oft so weit ausbreiten, dass sie die Batterie zerstören können.
«Es gibt viele Ideen, um die Dendriten-Bildung zu unterbinden», sagt Andreas Hutter. Beispielsweise versuche man, zwischen dem Minus- und dem Pluspol einen Separator aus Keramik einzubauen. Stossen die Dendriten-Zäpfchen daran an, würden sie abbrechen. Ob dies aber funktioniere und umsetzbar sei, müssten Tests erst noch zeigen.
Hutter spricht von einer regelrechten Goldgräberstimmung bei der Entwicklung von Batterien. Im Gespräch habe ihm dies auch Swissmem bestätigt, der Verband der Schweizer Maschinen-, Elektro- und Metallindustrie. «In der Schweiz gibt es viele spezialisierte Firmen, die von diesem derzeitigen Umbruch enorm profitieren können, wenn sie rechtzeitig auf den Zug aufspringen», sagt Hutter.
Dafür brauche es nun aber grosse Investitionen, gut ausgebildete Fachkräfte und eine angemessene Standortförderung, um die innovativen Unternehmen in der Schweiz zu halten.
(aargauerzeitung.ch)
