Die Welt der Technologie sehnt sich ständig nach Fortschritt, und einer der kritischsten Bereiche, in denen Innovationen nicht nur wünschenswert, sondern notwendig sind, ist die Energiespeicherung. Unsere modernen Batterien haben trotz jahrzehntelanger Weiterentwicklung oft Mühe, mit den wachsenden Anforderungen fortschrittlicher Technologien wie Elektrofahrzeugen oder Anwendungen unter extremen Bedingungen Schritt zu halten. Doch in diesem herausfordernden Umfeld entstehen Ideen, die das Potenzial haben, das Spiel grundlegend zu verändern.

Ein solcher Innovationsfunke zündete an der University of California San Diego (UC San Diego), angeregt durch die ungewöhnliche Neugier eines Doktoranden. Als er eine gewöhnliche Dose mit Druckluft zum Reinigen von Tastaturen betrachtete, fragte er sich, ob ein ähnliches Prinzip auch in der Welt der Batterien Anwendung finden könnte. Diese anfängliche Idee, unterstützt durch ein universitäres Ökosystem, das Forschung und kreative Freiheit fördert, entwickelte sich zu einer vielversprechenden neuen Batterietechnologie, die in der Lage ist, die Leistung, Sicherheit und Vielseitigkeit von Batterien erheblich zu verbessern. Diese Geschichte illustriert, wie grundlegende Neugier, mit angemessener Unterstützung, zu revolutionären Entdeckungen führen kann.

Die Notwendigkeit einer Energierenaissance in der Batterieindustrie

Die bestehende Lithium-Ionen-Technologie, die vor mehr als drei Jahrzehnten kommerzialisiert wurde, stößt an inhärente Grenzen. Obwohl erhebliche Verbesserungen bei der Energiedichte und Kostenreduzierung erzielt wurden, hauptsächlich dank Fortschritten in den Herstellungsprozessen, ist die grundlegende Chemie – die auf einer Graphitanode, einer Metalloxidkathode und einem flüssigen Elektrolyten beruht – weitgehend unverändert geblieben. Ursprünglich für Unterhaltungselektronik wie Mobiltelefone und Laptops entwickelt, werden diese Batterien nun massiv in wesentlich größere Systeme wie Elektrofahrzeuge integriert, was tiefgreifende Änderungen in der chemischen Zusammensetzung erforderlich macht.

Experten weltweit erforschen verschiedene Alternativen, darunter Siliziumanoden, Schwefelkathoden und Festkörperelektrolyte. Jeder dieser Ansätze hat seine eigenen Vor- und Nachteile. Beispielsweise versprechen Festkörperelektrolyte eine höhere Energiedichte und Sicherheit, aber ihre Massenproduktion könnte teurer sein und längere Entwicklungszeiten erfordern. Daher ist die Suche nach einer transformativen Technologie, die den zukünftigen Energiebedarf decken kann, intensiver denn je. Es ist wahrscheinlich, dass für verschiedene Anwendungen eine Kombination mehrerer Technologien zum Einsatz kommen wird – High-End-Elektrofahrzeuge, erschwinglichere Autos, Flugzeuge und Drohnen werden spezifische Anforderungen haben, die die heutige Technologie kaum erfüllen kann.

South 8 Technologies: Revolution mit verflüssigtem Gas

In diesem dynamischen Umfeld sticht das Unternehmen South 8 Technologies hervor, ein Startup, das von ehemaligen Studenten der UC San Diego gegründet wurde und geleitet wird. Ihr bedeutendster Beitrag ist die patentierte Technologie des Flüssiggas-Elektrolyten (Liquefied Gas Electrolyte oder LiGasⓇ), die vom TIME Magazine als eine der 200 besten Erfindungen des Jahres 2024 anerkannt wurde. Durch den Ersatz herkömmlicher flüssiger Elektrolyte in Lithium-Ionen-Batterien durch verflüssigte Gase erreichen South 8-Batterien einen Weltrekord im Betriebstemperaturbereich: von -60 bis +60 Grad Celsius. Zum Vergleich: Standard-Lithium-Ionen-Batterien verlieren bereits bei 0 oder -10 Grad Celsius an Leistung.

Neben der beeindruckenden Temperaturbeständigkeit bieten diese Batterien auch eine höhere Energiedichte pro Zelle und eine deutlich verbesserte Sicherheit. Cyrus Rustomji, wissenschaftlicher Leiter und Mitbegründer von South 8, der 2015 an der Jacobs School of Engineering der UC San Diego promovierte, betont einen weiteren entscheidenden Vorteil: Die für die Herstellung von LiGasⓇ-Batterien benötigten Materialien, einschließlich handelsüblicher Industriegase, werden in großen Mengen innerhalb der USA produziert. Dadurch entfällt die Abhängigkeit von ausländischen Lieferanten, was ein wichtiger Schritt in Richtung Energieunabhängigkeit und Sicherheit der Lieferkette ist. Rustomji gründete das Unternehmen zusammen mit einer Kollegin, ebenfalls einer ehemaligen Nanoingenieurstudentin an der UC San Diego, Jungwoo Lee.

Von der Druckluftdose zum technologischen Durchbruch

Die erste Entdeckung, die zur LiGasⓇ-Technologie führte, geschah während Rustomjis Doktorarbeit an der UC San Diego. Wie er selbst sagt, kam ihm die Idee, als er an seinem Schreibtisch saß. "Sie kennen vielleicht diese kleinen Dosen mit Druckluft, mit denen man Tastaturen reinigt. Ich sah mir eine solche an und fragte mich, was eigentlich darin ist. Ich drehte die Dose um und las: 'Difluorethan'."

Difluorethan ist, wie Rustomji schnell erkannte, ein einzigartiges Gas, das unter mäßigem Druck verflüssigt werden kann. Es ist nicht toxisch, aber ausreichend polar, um Salze zu lösen, eine Schlüsseleigenschaft für einen Elektrolyten. Da es im Grunde ein Gas ist, gefriert es erst bei extrem niedrigen Temperaturen. "Ich fragte mich, ob dies die Schaffung eines Niedertemperatur-Elektrolyten ermöglichen könnte – flüssig in der Zelle unter Druck – und somit Raum für Batterieanwendungen schaffen könnte, die bei extrem niedrigen Temperaturen arbeiten", erinnert sich Rustomji. Weitere Forschungen bestätigten seine Vermutungen und zeigten eine außergewöhnliche Leistung bei niedrigen Temperaturen.

Mit der Zeit erkannte das Team, dass diese Technologie auch andere Vorteile bietet, wie höhere Sicherheit, Energiedichte und Schnellladefähigkeit, was besonders für Elektrofahrzeuge wichtig ist. "Wir erkannten, dass wir damit wirklich etwas anfangen konnten", sagt Rustomji. Die Entscheidung zur Gründung von South 8 Technologies war ein logischer Schritt, mit dem Ziel, diese vielversprechende Technologie zu kommerzialisieren.

Die Rolle universitärer Unterstützung und Finanzierung

Die Entwicklung der LiGasⓇ-Technologie wäre ohne die starke Unterstützung der University of California San Diego nicht möglich gewesen. Rustomji hebt die Exzellenz der dortigen Ingenieurschule und die unschätzbare Mentorschaft der Nanoingenieurprofessorin Shirley Meng hervor, einer weltweit anerkannten Expertin für Batteriematerialien. Ihre Führung ermöglichte es ihm, ein grundlegendes Verständnis für den aktuellen Stand der Batterietechnologie und zukünftige Bedürfnisse zu erlangen.

Der Zugang zu modernster Ausrüstung und Ressourcen war ebenfalls entscheidend. Die Nano3-Nanofabrikationsanlage (Nanofabrication Cleanroom Facility), deren Gründung größtenteils von der National Science Foundation (NSF) finanziert wurde, war in den frühen Phasen des Verständnisses von Batterietechnologien maßgeblich. "Nano3 verfügt über eine ausgezeichnete Auswahl an spektroskopischen und messtechnischen Werkzeugen wie SEM (Rasterelektronenmikroskop), FIB (fokussierter Ionenstrahl) und E-Beam (Elektronenstrahllithographie), die uns außerordentlich geholfen haben, die grundlegenden Wechselwirkungen innerhalb der Batterievorrichtung zu verstehen", erklärt Rustomji. "Die UC San Diego verfügt einfach über großartige Werkzeuge, die ein besseres grundlegendes Verständnis der von uns entwickelten fortschrittlichen Materialien ermöglichen. Ohne diese Fähigkeiten und Instrumente wären wir heute nicht da, wo wir sind."

Die Zusammenarbeit beschränkte sich nicht nur auf die UC San Diego. Das Team nutzte auch Labore an der nahegelegenen University of California Irvine (UC Irvine) zur Charakterisierung mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM). Das Materialforschungsinstitut an der UC Irvine wird ebenfalls teilweise von der NSF unterstützt, was die Stärke des Kooperationsnetzwerks innerhalb des University of California Systems unterstreicht.

Zahlreiche Professoren des Campus, darunter Ping Liu, Shirley Meng und Zheng Chen (alle vom Aiiso Yufeng Li Family Department of Chemical and Nano Engineering), waren gerne bereit zu helfen und am Projekt mitzuarbeiten. Was die finanziellen Mittel betrifft, so sicherte sich das Team bereits während Rustomjis Promotionsstudium Mittel von ARPA-E (Advanced Research Projects Agency-Energy). "Das Energieministerium finanzierte uns mit einem kleinen Zuschuss, was diese Innovation wirklich vorantrieb und es mir ermöglichte, mich auf dem Campus Vollzeit den Anwendungen und der Technologie zu widmen", betont Rustomji. Während seines Postdoc-Studiums bewarb er sich erfolgreich um Small Business Innovation Research-Zuschüsse von der NSF und der NASA. Diese Mittel ermöglichten den Abschluss seiner Postdoc-Arbeit und die volle Hingabe an das Unternehmen.

Anwendungen und Zukunft der LiGasⓇ-Technologie

Die Fähigkeit von LiGasⓇ-Batterien, auch bei extremer Kälte zu funktionieren, hat die Aufmerksamkeit des US-Militärs geweckt, das sie zur Stromversorgung von Kommunikationsgeräten in extrem kalten Regionen testet. Verträge mit dem Militär bestätigen die Robustheit und Zuverlässigkeit der Technologie unter anspruchsvollsten Bedingungen. Auch Automobilunternehmen zeigen großes Interesse und erkennen das Potenzial dieser Batterien, den Markt für Elektrofahrzeuge voranzubringen, insbesondere hinsichtlich Reichweite und Leistung unter verschiedenen klimatischen Bedingungen sowie Sicherheit.

South 8 Technologies mit Sitz in San Diego, Kalifornien, beweist, dass auch Gebiete, die nicht für extreme Temperaturen bekannt sind, ein fruchtbarer Boden für die Entwicklung von Lösungen sein können, die genau für solche Bedingungen ausgelegt sind. Rustomji scherzt, dass er Kälte nicht mag und deshalb eine Energielösung dafür finden wollte. Aber im Ernst, das Ökosystem in Südkalifornien, insbesondere in San Diego, hat sich als äußerst günstig erwiesen.

"Zunächst ist da die UC San Diego, zu der auch die Rady School of Management gehört. In der Nähe befindet sich die San Diego State University, die ebenfalls talentierte Ingenieure und Wissenschaftler ausbildet. Wir hatten Absolventen beider Universitäten, die unserem Team beigetreten sind", sagt Rustomji. "San Diego bietet viel mehr als angenehmes Klima."

Zusätzliche Unterstützung bietet das Southern California Energy Innovation Network (SCEIN), ein Netzwerk, das lokale Unternehmer verbindet, den Austausch von Informationen über Finanzierungsmöglichkeiten aus Bundes- oder Landesmitteln ermöglicht und bei der Kontaktaufnahme mit Risikokapitalgebern hilft. "Diese Möglichkeit zum Networking war wirklich von unschätzbarem Wert", fügt Rustomji hinzu. "Ich denke, San Diego wird oft als Zentrum für Innovation und Unternehmertum unterschätzt. Aber hier werden viele großartige Dinge getan, nicht nur in der sauberen Technologie, sondern auch in der Hardware- und Softwareindustrie. In San Diego geschehen viele große Innovationen."

Botschaften für zukünftige Innovatoren

Nächstes Jahr feiert South 8 Technologies sein zehnjähriges Bestehen als Startup. Auf die Frage, welchen Rat er für aufstrebende Ingenieure und Unternehmer hat, die darüber nachdenken, eigene Unternehmen zu gründen, antwortet Rustomji: "Seid verliebt in das, was ihr tut, und liebt die Menschen, mit denen ihr es tut. Es wird eine Reise sein, kein Sprint. Und nur diejenigen, die lieben, was sie tun und mit wem sie es tun, werden am Ende des Tages erfolgreich sein."

Und was wäre die perfekte Batterie und werden wir sie jemals entwickeln? "Die perfekte Batterie wäre von Natur aus sehr sicher, würde sich niemals entladen, würde sich nur immer wieder millionenfach laden und entladen, würde sich so schnell laden, wie man möchte, und würde fast nichts kosten", sagt Rustomji. "Aber der Spaß daran, Wissenschaftler oder Ingenieur zu sein, besteht darin zu wissen, dass das ein Traum ist. Der Spaß besteht darin, immer besser zu werden, dieser Traumbatterie so nah wie möglich zu kommen und diese Verbesserungen zu erzielen. Andernfalls, wenn die perfekte Batterie existieren würde, würde das den Spaß am Innovationsprozess nehmen. Und das lässt sich auf jede Technologie anwenden. Nichts ist jemals perfekt, und ich denke, gerade die Unvollkommenheit macht Innovation so unterhaltsam."

Die Entwicklung von Technologien wie LiGasⓇ zeigt, dass wir auf dem besten Weg sind, einige der größten Herausforderungen bei der Energiespeicherung zu lösen, Türen zu neuen Möglichkeiten in zahlreichen Industrien zu öffnen und uns einer Zukunft mit zuverlässigeren, sichereren und vielseitigeren Batterielösungen näher zu bringen.

Quelle: University of California