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Der ETH-Forscher, der den Batterien neues Leben einhauchen will

Mathias Morgenthaler am Samstag den 13. Dezember 2014
Martin Ebner, Post-Doktorand an der ETH Zürich.

Martin Ebner, Post-Doktorand an der ETH Zürich.

Wer ein Smartphone benutzt, kennt das Problem: Die Batterie entlädt sich zu rasch, das Gerät muss oft an die Steckdose. Martin Ebner forscht am Labor für Nanoelektronik der ETH Zürich seit Jahren nach Verbesserungsmöglichkeiten. Dank neuen Erkenntnissen über das Innenleben von Batterien will der 28-jährige Innsbrucker nun den Sprung von der Wissenschaft in die Wirtschaft wagen.

Interview:
Mathias Morgenthaler

Herr Ebner, Sie erforschen als Post-Doktorand an der ETH Zürich, wie die Ladegeschwindigkeit von Lithium-Ionen-Batterien verbessert werden kann. Was reizt Sie an dieser Thematik?

MARTIN EBNER: Batterien sind etwas Fundamentales in unserer Gesellschaft – sowohl in der mobilen Elektronik als auch bei den Elektroautos sind sie der limitierende Faktor. Für mich als Forscher sind Batterien interessant, weil eigentlich keine Notwendigkeit besteht, sie aus seltenen und teuren Materialien zu bauen und weil elektrochemische Energiespeicher enorm hohe Wirkungsgrade haben.

Warum setzen Sie mit Ihrer Forschung bei der Verkürzung der Ladedauer an und versuchen nicht, den Entladevorgang zu verlangsamen?

Die Batterielaufzeit hängt von der Energiedichte der Materialien und der Konstruktion der Zelle ab. An Materialien wird seit vielen Jahren intensiv geforscht und optimiert. Das industrielle Level ist heute wahnsinnig hoch, da sind wir nahe am Punkt, an dem die Physik natürliche Grenzen setzt. Weil Sicherheit und Lebensdauer sehr stark materialabhängig sind und alle Materialien perfekt zusammenpassen müssen, ist es sehr schwierig, neue Materialien zu industrialisieren. Bei der Schnellladefähigkeit hingegen gibt es noch viel Potenzial. Ich habe im Rahmen meiner Doktorarbeit gemeinsam mit Kollegen vom Paul-Scherrer-Institut untersucht, wie die Mikrostruktur einer Batterie die Ladegeschwindigkeit beeinflusst. Mithilfe einer besonders hochauflösenden Form einer Röntgentomografie konnten wir zeigen, wie die Mikropartikel in der Elektrode den Ionen-Fluss beeinflussen. Danach habe ich versucht, die Elektrodenstruktur zu optimieren, ohne die Materialien auswechseln zu müssen.

Als Laie kann ich mir wenig darunter vorstellen.

Es geht um die Verkürzung der effektiven Weglänge. Das kann man sich vorstellen wie Wasser, das durch eine dichte Gesteinsschicht sickert. Weil die Wassermoleküle den Poren im Gestein folgen müssen und um jeden Stein Slalom laufen, ist ihr Weg viel länger als die Dicke der Gesteinsschicht. Das verlangsamt den Wassertransport. So ähnlich haben in einer Batterie die Grösse, Verteilung und Anordnung der Mikropartikel einen grossen Einfluss auf die Ladegeschwindigkeit. Dank unserer Forschung am Labor für Nanoelektronik können wir heute besser verstehen, was im Inneren einer Batterie beim Laden und Entladen passiert und wie man die Ladegeschwindigkeit erhöhen kann.

Was bringt das im Idealfall dem Smartphone- oder Elektroautobenutzer?

Es geht dabei immer um ein Abwägen zwischen Energiedichte und Ladezeit. Im Idealfall gelingt es, die Ladezeit stark zu reduzieren beziehungsweise die Energiedichte bei gleicher Ladezeit um bis zu 25 Prozent zu steigern. Das wäre ein sehr guter Wert angesichts der bisherigen Entwicklung bei Batterien. Der Endkunde würde es sicher schätzen, wenn er in 15 Minuten im Zug sein Smartphone wieder voll aufladen könnte. Oder wenn er sein Elektroauto wieder aufladen könnte, während er einen Kaffee trinkt. Derzeit braucht man dafür an den effizienteren Ladestationen rund eine Stunde, in Normalfall drei bis vier Stunden.

Mobile Elektronik und Elektroautos – das ist ein grosses Marktpotenzial. Sehen Sie sich noch als Wissenschaftler oder schon als Unternehmer?

Ich bewege mich nun in beiden Feldern. Das Pioneer-Fellowship-Programm der ETH gibt mir die Chance, 18 Monate lang aus dem wissenschaftlichen Projekt ein Unternehmen zu machen. Ohne dieses Stipendium hätte ich vielleicht in einem Konzern eine Stelle angenommen, weil mir der Sprung in die Selbstständigkeit zu riskant gewesen wäre. So aber kann ich mit etwas Rückendeckung die Märkte kennen lernen, Produktideen entwickeln, Partner suchen.

Sie werden kaum selber Batterien herstellen wollen.

Nein, mir schwebt ein Unternehmen vor, das die Technologie entwickelt und an die Batterienhersteller verkauft. Die Fabriken stehen grösstenteils in Asien, dagegen will ich nicht antreten. Ich bin daran, Kontakte zu den Zellherstellern, aber auch zu den Zulieferern, den Endabnehmern und den spezialisierten Beratern zu knüpfen. Das ist für mich eine neue Welt, aber ich liebe es, in neue Gebiete einzutauchen. Früher habe ich Software geschrieben, Hardware designt, mich mit Elektrotechnik und Mechanik, später mit Elektrochemie befasst. Nun lerne ich dank der Nanoelektronik noch die Businesswelt besser kennen.

Sind Sie die Luxusversion des Elektroautos, den Tesla S, schon gefahren?

Ja, ich konnte in Zürich eine Probefahrt machen. Dieses Auto beschleunigt in 4 Sekunden von 0 auf 100, da hat man das Gefühl, in einer Rakete zu sitzen. Tesla hat die Reichweite inzwischen auf 350 Kilometer ausgebaut. Nach dem Luxusmodell soll bald ein günstiges Einstiegselektroauto auf den Markt kommen. Für mich ist die Autoindustrie sehr reizvoll, weil sie sich gerade grundlegend verändert. 2013 sind weltweit rund 85 Millionen Autos verkauft worden, nur 0,3 Prozent davon waren ganz oder teilweise mit Strom angetrieben. Bei den Neuwagenverkäufen in der Luxusklasse hat Tesla aber etablierte Marken wie Mercedes oder BMW bereits überholt. Hier entsteht ein neuer Markt. Es wäre wunderbar, ein kleines Mosaiksteinchen zur Entwicklung beitragen zu können.

Haben Sie eine Vorstellung davon, wie viel Konkurrenz es gibt in Ihrem Forschungsbereich?

Nein, der Markt ist fast nicht überschaubar – die grossen Konzerne pflastern alles mit Patenten zu. Daran kann man verzweifeln, muss man aber nicht. Wir können nichts anderes tun als unsere Technologie in die Hände nehmen, rausgehen, sie präsentieren und herausfinden, ob die Wirtschaft daran interessiert ist. Wir spüren ein sehr ernsthaftes Interesse. Wichtig ist nun, die Technologie aus dem Labor rauszuholen und in einer Pilotanlage auf ein industrielles Level zu bringen. Dafür suchen wir Partner mit entsprechender Infrastruktur und Branchenkenntnis. Oft haben grosse Unternehmen ja nicht die Möglichkeit, selber grundlegende Innovationen zu schaffen. Da gibt es viele offene Türen für agile Start-ups, die auf solidem wissenschaftlichem Fundament stehen.

Finden Sie überhaupt noch Zeit für die Forschung, oder brauchen Sie Ihre Zeit ganz für den Aufbau der eigenen Firma?

Die Woche hat ja zum Glück sieben Tage. Und ebenso viele Nächte. Bei manchen Geräten im Labor wie etwa dem Elektronenmikroskop ist der Zugang in der Nacht am leichtesten. Ich arbeite je rund 50 Prozent als Wissenschaftler und als Jungunternehmer. Natürlich zähle ich die Stunden nicht, ich wäre ja dumm, würde ich aus diesen geschenkten 18 Monaten nicht ein Maximum herauszuholen versuchen.

Kontakt und Information:

mebner@ethz.ch oder www.lne.ee.ethz.ch

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