Lithium-Ionen-Batterien haben zum Standard in der Elektrifizierungsrevolution werden. Tatsächlich sind sie zweifellos so integraler Bestandteil der Batterieentwicklung geworden, dass alle, von der Regierung über Autohersteller bis hin zu großen Ölkonzernen, sich bemühen, den Zugang zu dem Mineral zu sichern.
Das einzige Problem besteht darin, dass die Gewinnung von Lithium teuer, zeitaufwändig und arbeitsintensiv ist. Und dieser Extraktionsprozess belastet die Umwelt. Das Gleiche gilt für die anderen Materialien, die in einer Batterie enthalten sind, wie Nickel, Kobalt und Graphit.
Eine Handvoll Start-ups sind entstanden, die mit unterschiedlichen Chemikalien experimentieren, um effizientere, leichtere und umweltfreundlichere Batterien zu bauen. Normalerweise tauschen sie einige der Standardmaterialien aus, aber selten verzichten sie ganz auf Lithium.
Da kommt Flint ins Spiel, ein Startup aus Singapur, das nach eigenen Angaben eine Möglichkeit gefunden hat, das Lithium in einer Batterie durch Papier zu ersetzen.
„Papierbatterien sind auf dieser Welt sehr neu und derzeit arbeiten nur wenige Institutionen an dieser Technologie“, sagte Carlo Charles, Mitbegründer von Flint, gegenüber Tech. „Wir arbeiten daran, die Materialien zu ändern. Statt Lithium, Nickel und Kobalt zu verschmelzen, verwenden wir Zink-, Mangan- und Zellulosepapiere. Mit diesen drei Dingen können wir die Art und Weise ändern, wie die Batterie verwendet werden kann, aber die Art und Weise, wie die Batterie hergestellt wird, beibehalten. Das ist also die Oberhand, die wir im Vergleich zu anderen Strategien und Batterietechnologien da draußen haben.“
Flint, das am Tech Disrupt 2023 Startup Battlefield teilnahm, begann erst 2022 mit der Produktion seiner Papierbatterien, das Unternehmen verfügt jedoch bereits über einen Prototyp. Erste Tests verliefen vielversprechend, nun möchte Flint Partner finden, mit denen es seine Papierbatterien in Verbraucherprodukten testen kann.
Hört sich gut an, aber wie funktioniert es?
Zunächst müssen Sie ein wenig über normale Lithium-Ionen-Batterien verstehen. Sie bestehen aus vier Komponenten: der Anode (der negativen Elektrode), der Kathode (der positiven Elektrode), dem Separator und dem Elektrolyten. Der Elektrolyt, ein flüssiges Material, sitzt in der Mitte und fungiert als Kurier, der beim Laden und Entladen Ionen zwischen den Elektroden bewegt.
Die Batterie von Flint besteht nur aus drei Komponenten: einer Anode auf Zinkbasis, einer Kathode auf Manganbasis und dem Papierseparator. Flint überzieht sein Zellulosepapier, seine Anode und seine Kathode mit Hydrogel, bevor es in einem Vakuumofen gebacken wird – wodurch ein mit Hydrogel verstärktes Zellulosepapier entsteht. Hydrogel ist ein „intelligentes“ Material, das seine Struktur als Reaktion auf seine Umgebung wie Temperatur, pH-Wert, Salz oder Wasser ändern kann. Es ist auch Flints Geheimrezept, denn es ermöglicht den Elektronentransfer zwischen Anode und Kathode, ohne dass sowohl ein Separator als auch ein Elektrolyt erforderlich sind.
Und anscheinend funktioniert es – und zwar so gut, dass die chemische Zusammensetzung der Batterie zwar geändert wird, die Struktur und der Herstellungsprozess der Batterie jedoch gleich bleiben. Mit anderen Worten: Die Batterien von Flint könnten eines Tages austauschbar mit den heutigen Lithiumbatterien verwendet werden, sagt Charles.
„Wir können einfach die bereits vorhandenen Technologien nutzen, unser Rezept einbringen und ganz einfach eine Produktionslinie mit Papierbatterien einrichten“, sagte der Mitbegründer und wies darauf hin, dass bei anderen Lösungen wie Wasserstoff- oder Natriumbatterien eine Änderung erforderlich sei ein Produkt entsteht. „Das Tolle an uns ist, dass wir es Herstellern und Lieferanten so einfach machen, alte Lithiumbatterien einfach durch unsere Papierbatterien zu ersetzen.“
Charles sagte, Flint habe sich für Zink und Mangan gegenüber Lithium, Kobalt und Nickel entschieden, weil die beiden ersteren häufiger vorkommende Materialien seien, was bei der Diskussion über Nachhaltigkeit in der Batterieindustrie wichtig sei. Er sagte, es handele sich auch um sicherere Materialien als die, die in heutigen Batterien verwendet werden, die sehr reaktiv seien. Man muss sich nur die vielen Batteriebrände ansehen, die durch Lithiumbatterien ausgelöst wurden, um zu erkennen, dass sicherere kritische Materialien eine attraktive Perspektive darstellen.
„Sie können unsere Batterie buchstäblich abschneiden, während sie in Betrieb ist, und sie funktioniert trotzdem weiter, ohne zu überhitzen oder zu explodieren, wie wir es von Lithiumbatterien erwarten“, sagte Charles.
Die in den Papierbatterien von Flint verwendeten Materialien ermöglichen es ihnen auch, in einem Temperaturbereich von minus 15 Grad Celsius bis 80 Grad Celsius zu arbeiten, was ein größeres Spektrum an Produktmöglichkeiten eröffnet und ein Beispiel dafür ist, dass die Effizienz mit der Zeit nicht nachlässt. Die Materialien in heutigen Batterien könnten nur bei Temperaturen zwischen 15 und 35 Grad Celsius funktionieren, sagte er.
„Lithiumbatterien sind hinsichtlich Gewicht, Kapazität und Volumen wirklich gut, aber hinsichtlich Kosten und Sicherheit sind sie nicht so effizient“, sagte Charles.
Die Papierbatterien von Flint sind hinsichtlich Kosten und Sicherheit ein Vorreiter und entsprechen in Bezug auf Spannung und Strom bereits den Standards von Lithiumbatterien. Aber die Papierbatterien haben noch einen langen Weg vor sich, um die Kapazität von Lithiumbatterien zu erreichen. Insbesondere muss Flint die Volumendichte seiner Batterien erhöhen.
„Wenn man diese Papierbatterie also beispielsweise zu einer AA-Batterie zusammenrollt, können wir nur etwa 60 % oder 70 % der Energiedichte einer Lithiumbatterie bereitstellen“, sagte Charles. „Wir konzentrieren uns also auf zwei Dinge. Nummer eins ist die Erhöhung dieser Zahl auf einen höheren Standard. Und zweitens muss geprüft werden, ob es Anwendungen gibt, die heute mit diesen Zahlen genutzt werden können, bei denen die Energiedichte nicht so wichtig ist.“
Flint muss außerdem den Lebenszyklus seiner Batterien verbessern, bevor sie auf den Markt kommen können. Charles sagt, dass die Gesundheit einer Lithiumbatterie, die über 2.000 Lebenszyklen getestet wurde, auf 60 % sinken würde. Flint verfügt nur über die Ressourcen, um 1.000 Lebenszyklen lang zu testen, aber im Laufe dieser Lebenszyklen sinkt der Zustand der Batterie auf 70 %.
Charles bemerkte, dass er stolz auf das ist, was sein kleines Team aus fünf Mitarbeitern und vier Beratern angesichts der begrenzten Ressourcen von Flint erreichen konnte. Das Startup spendete 50.000 US-Dollar und die Regierung von Singapur spendete ihm weitere 100.000 US-Dollar. Damit konnte Flint MacGyver einen Reinraum zur Verfügung stellen, um Batterien herzustellen und zu testen.
Batterien sollten in Räumen hergestellt werden, die so sauber und trocken sind, dass weder Staub noch ein Spritzer Feuchtigkeit zu sehen sind. Die Bedingungen müssen präzise sein und die beteiligten Maschinen sind in der Regel automatisiert. Charles beschrieb die „sehr offene Umgebung“, in der Flint heute seine Prototypen herstellt, scherzhaft als „genau dort, wo man keine Batterien herstellen sollte“.
„Ich war vor kurzem in einer Batteriefabrik und dort gibt es eine große Schlammmaschine, in die man die Pulver einfüllt, um sie in eine flüssige Form zu bringen, und sie betreiben diese riesige Maschine, die fast halb so groß ist wie mein Zimmer, und sie betreiben sie 12 Stunden, nur um eine Schlammkomponente herzustellen“, sagte Charles. „Wissen Sie, was wir tun, um unsere Batterien herzustellen? Wir verwenden einen Schneebesen und schlagen ihn drei Stunden lang mit unseren Händen. Und trotz alledem sind unsere Zahlen anständig. Stellen Sie sich vor, wir hätten die Ressourcen und Einrichtungen.“
Vom Prototyp zum Produkt
Flint-Mitbegründer Carlo Charles hält eine zusammengerollte Papierbatterie hoch. Bildnachweis: Feuerstein
Flint befindet sich in der letzten Etappe seiner Reise zur Optimierung der Batteriechemie. Von dort aus wird das Unternehmen bald bereit sein, mit der Fertigung und Produktion zu beginnen und zu versuchen, andere Unternehmen dazu zu bewegen, Flint-Papierbatterien in ihren Produkten zu verwenden.
Um zunächst einen Maßstab zu erreichen, muss sich Flint laut Charles auf zwei der folgenden drei Maßstäbe konzentrieren: Gewicht, Kapazität und Volumen. Wenn das Startup darauf verzichtet, das richtige Gewicht zu finden, um sich auf die Reduzierung des Volumens und die Erhöhung der Kapazität zu konzentrieren, kann es versuchen, mit Energiespeichersystemen (ESS) auf den Markt zu kommen. Laut Charles arbeitet Flint bereits mit einem der größten ESS-Anbieter Singapurs zusammen.
Das Unternehmen könnte auch Kapazitäten opfern und sich stärker auf die Herstellung von Batterien mit geringerem Gewicht und Volumen konzentrieren, was die ideale Anwendung für Fernsensoren und Wearables darstellen würde.
Die langfristige Vision bestünde darin, herauszufinden, wie das Volumen geopfert, die Kapazität erhöht und das Gewicht verringert werden kann, um die Batterien besser für Elektrofahrzeuge geeignet zu machen.
„Wir haben Gespräche mit Airbus geführt, der versucht, seine Flugzeuge für die Zukunft zu elektrifizieren“, sagte Charles. „Langfristig möchten wir ihnen helfen und Batterien mit individueller Formgebung herstellen, da sie aus Papier bestehen und flexibel sind. Sie könnten die Form eines Flügels oder des gesamten gekrümmten Flugzeugkörpers haben.“