13.12.2021 - Argonne National Laboratory

Start-up bringt die Batteriewelt in Schwung

Sepion Technologies erforscht innovative neue Lithium-Batterietechnologien und sicherte sich kürzlich eine Serie-A-Finanzierung

Wenn Amerika vollständig von fossilen Brennstoffen wegkommen und zu einer nachhaltigeren Energiewirtschaft übergehen will, sind Batterien der Schlüssel dazu. Sowohl für Elektrofahrzeuge als auch für das Stromnetz werden neue Batterietechnologien die Energiegleichung verändern, die der Art und Weise, wie wir leben und uns fortbewegen, zugrunde liegt.

Das Joint Center for Energy Storage Research (JCESR), ein Zentrum für Energieinnovationen am Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums, befasst sich seit über 10 Jahren mit dem Thema Batterien. Die Forschung am JCESR hat zu Durchbrüchen geführt, die ihren Weg in Elektrofahrzeuge gefunden haben, und zur Gründung mehrerer Spin-off-Unternehmen geführt.

Eines dieser Unternehmen, Sepion Technologies, wurde gegründet, um das Versprechen einer innovativen Batteriechemie einzulösen. Das Herzstück der Sepion-Technologie ist eine Batteriemembran, die die beiden Elektroden einer Batterie voneinander trennt. Diese Membranen sind besonders nützlich für energiereiche Lithium-Metall-Batterien.

Sepion sicherte sich vor kurzem eine Finanzierung der Serie A - seine erste bedeutende Runde externer Risikokapitalinvestitionen. Mit dem zusätzlichen Kapital wird Sepion sein Personal von 10 auf 30 Mitarbeiter aufstocken und eine neue Pilotanlage eröffnen.

"Als ich Teil des JCESR war, haben wir alle darüber nachgedacht, wie die Zukunft der Batterien aussehen könnte, und jetzt freue ich mich darauf, ein Teil davon zu sein, indem wir das Versprechen der Labortechnologie in der Industrie verwirklichen", sagte Sepion-Mitbegründer Peter Frischmann.

"Wir haben uns immer auf die Fahnen geschrieben, dass wir in der Lage sein wollen, die Phänomene der elektrischen Batterie auf atomarer und molekularer Ebene zu verstehen, damit wir Batterien für eine bestimmte Anwendung gezielt entwickeln können", fügte JCESR-Direktor George Crabtree hinzu. "Jetzt gehen aus dem JCESR Unternehmen hervor, die diese Aufgabe erfüllen."

Membranen sind für Batterien von entscheidender Bedeutung, da sie es den ladungstragenden Ionen selektiv ermöglichen, von einer Seite der Batterie zur anderen zu gelangen. Membranen ermöglichen den Betrieb einer Vielzahl von Batterien, von Lithium-Ionen-Batterien für Elektroautos bis hin zu großen Durchflussbatterien, die zur Speicherung von Energie im Stromnetz verwendet werden können.

"Membranen wurden schon immer als Schlüsselkomponente für die nächste Generation von Batterien angesehen", so Frischmann. Unsere Membranforschung hat sich weiterentwickelt, als wir herauszufinden versuchten, welche Batterien die größte Veränderung bewirken würden."

Frischmanns Weg in der Batterieforschung begann als Postdoktorand, der als Mitglied des JCESR-Teams am Lawrence Berkeley National Laboratory des DOE arbeitete. Von Anfang an suchte Frischmann nach Wegen, um neue Batterietechnologien mit maximaler Wirkung zu entwickeln.

Frischmann erhielt Zugang zum I-Corps-Programm der National Science Foundation, in dem er die Fähigkeiten erlernte, die man als erfolgreicher Unternehmer braucht, und das den Weg für Sepion ebnete. Das JCESR war der Ausgangspunkt für unsere Technologie sowie für andere Batterietechnologien, die auf dem Weg zum kommerziellen Erfolg sind", so Frischmann.

"Start-ups spielen eine besondere Rolle - sie haben von Anfang an ein dringendes existenzielles Anliegen", fügte Crabtree hinzu. Sie arbeiten ganz anders als große Unternehmen - sie sind immer auf der Suche nach der nächsten Gelegenheit, was bedeutet, dass sie aggressiver und kreativer sein müssen."

Im Rahmen des I-Corps-Programms erkannte Frischmann, dass sein ursprünglicher Plan - die Entwicklung von Membranen für Lithium-Schwefel-Batterien - eine überwältigende Herausforderung für ein Start-up war. Es erforderte eine umfassendere Überarbeitung der Batterien, die ein langfristiges Engagement sowie große Mengen an Kapital erfordert hätte. Als wir uns mit Lithium-Schwefel-Batterien befassten, mussten wir das gesamte Batteriesystem ändern, einschließlich beider Elektroden der Batterie", so Frischmann. "Indem wir uns stattdessen auf Lithium-Metall-Batterien konzentrieren, können wir die Kathoden wie bei den bewährten Lithium-Ionen-Batterien beibehalten und unsere Aufmerksamkeit ganz auf die Anode richten." Eine Batterie hat zwei Elektroden, eine positiv geladene Kathode und eine negativ geladene Anode, zwischen denen die Lithiumionen pendeln.

Lithium-Metall-Batterien verwenden Anoden aus reinem Lithiummetall. Sie bieten eine größere Energiemenge pro Pfund als ihre Lithium-Ionen-Verwandten, was sie zu einer attraktiven Option für die Vergrößerung der Reichweite bei Anwendungen wie Elektrofahrzeugen und Flugzeugen macht. Die Verbesserung der Batterieleistung bei gleichzeitiger Senkung der Kosten ist unerlässlich, um den Übergang zu einem nachhaltigen Verkehrssystem zu beschleunigen", so Frischmann.

Der größte Nachteil von Lithium-Metall-Batterien liegt in ihrer relativen Instabilität. Beim Laden und Entladen der Batterie bilden sich auf der Anodenoberfläche lange Lithiumnadeln, die sich zur Kathode hin ausdehnen. Wenn diese eindimensionalen Nadeln, die so genannten Lithium-Dendriten, zu lang werden, können sie die Batterieleistung beeinträchtigen oder die Batterie sogar kurzschließen.

Frischmann erkannte, dass der Schlüssel zur Verbesserung der Leistung, Sicherheit und Zuverlässigkeit von Lithium-Metall-Batterien darin liegt, die Lithium-Metall-Ablagerungen auf eine andere Weise wachsen zu lassen. Durch den Einsatz der nanoporösen Membran, die er im Rahmen des JCESR in der Nähe der Anodenoberfläche entwickelt hatte, konnten er und das Sepion-Team die zuvor verzweigten Dendritennadeln abflachen. Statt einer Spitze konnten wir einen Pfannkuchen erzeugen, was für die Batterieleistung viel besser ist", sagte er.

Mit diesen neuen Membranen und der Konzentration auf Anwendungen für die Elektromobilität erhielt Sepion Zugang zur Cyclotron Road, einem Inkubator mit Sitz in Lawrence Berkeley. Cyclotron Road zielt darauf ab, Laborforschung durch Start-ups auf den Markt zu bringen. Dieses zweijährige Intensivprogramm war für Frischmann eine der prägendsten Erfahrungen seiner Karriere. Cyclotron Road hat mich wirklich gelehrt, anders über Wissenschaft und Batterien zu denken", sagt er.

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