Plastikbatterien: Alle aufgeladen und warten darauf, dass es losgeht

Viele Leute checken jeden Morgen ihr Faxgerät, aber heutzutage interessieren sich Theodore Poehler und Peter Searson besonders für das, was auf ihrem steht. Diese beiden Wissenschaftler der Johns Hopkins University glauben, dass sie einem Deal schmerzlich nahe sind, der ihre Forschungsidee – eine Vollkunststoffbatterie – in eine kommerzielle Realität verwandeln könnte. Jeden Tag erwarten sie das endgültige Ergebnis von mehr als einjährigen Verhandlungen, in der Hoffnung auf eine Entscheidung mehrerer großer Batterieunternehmen oder auf eine Nachricht von privaten Investoren, die ihre Bereitschaft bekundet haben, mehrere Dutzend Millionen Dollar zu investieren.

Eine Vereinbarung mit dem richtigen Batterieunternehmen oder einer Gruppe von Unterstützern könnte ihre Erfindung von einer Laborkuriosität in einen aufsteigenden Stern auf dem riesigen Batteriemarkt verwandeln. Der Prototyp ist bemerkenswert klein, leicht und wiederaufladbar. Noch faszinierender ist, dass es in dünnen, biegsamen Blättern erhältlich ist, die in eine Form gebracht werden können, die einer Visitenkarte ähnelt. Poehler und Searson glauben, dass die neuartige Batterie eine führende Rolle in einer neuen Generation von Elektrofahrzeugen, Satelliten und leichten elektronischen Geräten spielen könnte – sogar als Ersatz für Standardbatterien der Größe AA.

Diese Geschichte war Teil unserer Juli-Ausgabe 1998

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Das ist der Traum. Um es in die Realität umzusetzen, braucht es jedoch viel Geld. Es braucht auch kaufmännisches Geschick. Und Poehler und Searson wissen, dass es keine Erfolgsgarantie gibt. Wir sind beide sehr vorsichtig, erklärt Peohler. Wenn es passiert, passiert es – wenn nicht, versuchen wir einfach darüber nachzudenken, die Forschung zu betreiben, um die Technologie zu verbessern.

Ihre Geschichte erzählt, wie sich Grundlagenforscher, die an der Spitze arbeiten, in der Welt des Unternehmertums, des Risikokapitals und der Großunternehmen wiederfinden. Und wie, wenn sie dort angekommen sind, die Probleme möglicherweise genauso komplex sind – und weit weniger bekannt – als die, denen sie am Labortisch gegenüberstehen.

Poehler, Professor für Elektrotechnik und Computertechnik und Vizeprobst für Forschung der Universität, und Searson, Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen, wollten nie Unternehmer werden. Als sie vor sechs Jahren mit der Suche nach einer Vollkunststoffbatterie begannen, wollten sie einfach nur gute Wissenschaft machen und die Grenzen eines Materials und eines Systems austesten. Die Professoren leiteten ein Forscherteam bei Johns Hopkins, zu dem Jeffrey Killian, Josef Gofer und Haripada Sarker gehörten; Anschließend trat die Doktorandin Jennifer Giaccai der Gruppe bei. Der Fortschritt kam langsam, aber 1996 hatten sie einen funktionsfähigen Prototyp. Dann, Anfang letzten Jahres, löste eine Pressemitteilung der Johns Hopkins University, in der für die Entwicklung der neuartigen Kunststoffbatterie geworben wurde, einen Medienrummel aus.

Die Plastikbatterie wurde von Popular Science zur Erfindung des Jahres gekürt. Fernsehteams kamen sogar aus Schweden, Tokio und Brasilien und durchstreiften das Labor. Die Forscher erschienen auf CNN und in USA Today. Absolventen der Gruppe wurden zu lokalen Medienstars. Hunderte von Unternehmen und Investoren fragten nach der neuen Technologie und versuchten, ihr elektrisches Potenzial in Ertragspotenzial umzuwandeln. Wall Street-Analysten riefen an, um sich über alle Geschäfte zu informieren, die unterzeichnet werden könnten, um die Batterie kommerziell zu produzieren.

Heutzutage, mehr als ein Jahr später, ist das Labor so gut wie wieder normal. Ein kürzlicher Besuch von TR fand die übliche Stille eines Universitätslabors, in dem die Forscher ihrem wissenschaftlichen Geschäft nachgingen. Die Fernsehteams sind weg. Der stetige Besucherstrom wurde dünner.

Wie andere akademische Forscher, die eine heiße neue Materialtechnologie entwickelt haben, navigiert das Johns Hopkins-Team aus dem Blick der Medien heraus durch die Geschäfts- und Finanzwelt.

Machen Sie keinen Fehler – es steht viel auf dem Spiel. Die erfolgreiche Kommerzialisierung einer Kunststoffbatterie könnte für ihre akademischen Erfinder und ihre Universität viel Geld bedeuten. Allein der US-Markt für Batterien beträgt 5,8 Milliarden US-Dollar pro Jahr und ist auf ein schnelles Wachstum vorbereitet, da eine neue Generation von Elektrofahrzeugen und kleineren elektronischen Geräten den Bedarf an effizienteren, leichteren wiederaufladbaren Batterien aufkommen lässt. Firmen- und akademische Labore auf der ganzen Welt suchen nach einer Lösung, wobei sich viele Bemühungen auf Lithiumbatterien konzentrieren ( siehe Seitenleiste ).

Eine Plastikbatterie könnte sich eine lukrative Nische erschließen. Die meisten Batterien bestehen heute aus giftigen und umweltschädlichen Schwermetallen wie Blei und Cadmium. Plastikbatterien enthalten jedoch keine Metalle und lassen sich leicht recyceln. Sie müssen versiegelt werden, damit Feuchtigkeit ihre Ladung nicht dämpft, aber die Polymere im Inneren sind weit entfernt von Lithium, das bei Kontakt mit Wasser explodieren kann.

Darüber hinaus besteht die Vollkunststoffbatterie aus dünnen, folienartigen Platten – ein entscheidender Vorteil für jemanden, der ein Produkt entwickelt, der herausfinden muss, wo er einen Akku hineinquetschen muss. Stellen Sie sich Gehäuse für Laptops vor, die mit dünnen Platten der Batterie ausgekleidet sind, oder Autostrukturteile, die mit den Stromquellen ausgekleidet sind, sogar Satelliten, bei denen die Plastikbatterie in jedem verfügbaren Raum gequetscht ist. Sie können fast jede gewünschte Konfiguration erstellen, sagt Searson.

Der Trick besteht darin, eine Polymeranode zu finden, die für eine funktionsfähige Batterie geeignet ist. Wenn sie in einer Batterie verwendet werden, können bestimmte Polymere als große Kathoden fungieren und leicht Elektronen aufnehmen, die von der Anode über einen externen Stromkreis kommen. Andererseits muss ein leitfähiges Polymer, damit es als Anode fungieren kann, so dotiert werden, dass ein zusätzliches Elektron in das Polymerrückgrat gezwungen wird, was ihm eine negative Ladung verleiht. Im Gegensatz zu dotierten Kathoden sind dotierte Anoden jedoch instabil und anfällig für Feuchtigkeit.

Trotz der Herausforderung stürmte das Johns Hopkins-Team voran. Schließlich fanden sie heraus, dass sie durch das Einschließen eines Lithiumions in die Polymerkette eine Art Kunststoff namens Polypyrrol dazu bringen konnten, sich wie eine Anode zu verhalten. Nach drei Jahren der Bemühungen hatte Poehler das Gefühl, dass dieses System anständig aussah. Bis zum Sommer 1995 produzierte das Labor eine funktionierende Batterie. Aber die Batterie produzierte nur etwa ein Volt pro Zelle – viel zu wenig für viele Anwendungen – und benötigte noch Lithium als Dotierstoff.

Das Team ging zurück zum Zeichenbrett. Diesmal gelang ihnen in etwas mehr als sechs Monaten ein bedeutender Durchbruch. Das Team von Johns Hopkins wandte sich einer Familie von Polymeren zu, die Fluorphenylthiophene genannt werden, um die Elektroden zu bilden; ein Mitglied der Familie, 3,4,5 TFPT, fungiert als Anode, während ein anderes, 3,5 DFPT, als Kathode fungiert. Die Polymere wurden dann um einen Batterieelektrolyten aus einem dünnen Polyacylonitril-Gel geschichtet. Die Batterie könnte drei Volt Strom pro Zelle erzeugen und hunderte Male aufgeladen werden.

Es war ein bemerkenswerter Durchbruch. Die Batterien sind so flexibel wie eine Plastikfolie – so können sie in die zylindrische Form einer herkömmlichen Taschenlampenbatterie gerollt oder als dünnes Scheckkarten-Blatt verwendet werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Batterien, die oft nicht bei Temperaturen weit unter dem Gefrierpunkt funktionieren, sind sie in der Lage, bei Temperaturen von bis zu -40 Grad C zu arbeiten. Als zusätzlichen Bonus ändern die Batterien beim Entladen die Farbe, so dass es leicht zu erkennen ist, wann a Aufladen ist erforderlich.

Nun verfügte das Labor über einen funktionsfähigen Prototyp, der jedoch nur der Anfang auf dem beschwerlichen Weg zur Kommerzialisierung war. Poehler, der in seiner Funktion als Vizeprophet viele Technologietransfer-Deals erlebt hat, übernahm die Führung des Teams. Die erste Herausforderung besteht darin, festzustellen, ob die Technologie wettbewerbsfähig ist, erklärt er. Als die Geschichte Ende 1996 in den Medien bekannt wurde, waren die Forscher von Johns Hopkins zuversichtlich, dass ihre Batterie dieses Stadium erreicht hatte. Sie sortierten die Flut der Anfragen und trafen sich mit über 40 potentiellen Forschungspartnern oder Geldgebern, besuchten sie oder wurden mehr als ein Jahr lang fast wöchentlich von Unternehmen oder Forschungsgruppen besucht.

Wir haben die meisten Treffen nicht als Gelegenheiten für Geschäftsabschlüsse, sondern als Gelegenheiten zum Informationsaustausch gesehen, sagt Pöhler. Das übergeordnete Ziel war jedoch, einen großen Deal zu machen, der die Batterie auf den Markt bringen würde, und nicht nur Geld für weitere Forschungen einzubringen. Daran arbeiten wir noch und kämpfen immer darum, den Punkt zu erreichen, an dem sich die Technologie von selbst verkauft, sagt er.

Es ist jedoch nicht einfach, an diesen Punkt zu gelangen. Tatsächlich bedeutet es, über eine komplexe Welt des Risikokapitals und der Unternehmensfinanzierung zu verhandeln. Poehler und Searson haben jeweils einen beeindruckenden akademischen Ruf, aber wie die meisten Wissenschaftler hat keiner von beiden viel Erfahrung im Geschäftsverkehr und der Welt der Hochfinanz.

Es erfordert andere Fähigkeiten als die Wissenschaft, sagt Lita Nelsen, Direktorin des Technology Licensing Office des MIT. Es gibt ein paar Leute, die beide Fähigkeiten haben, aber nicht viele. Das zunehmende Angebot an Risikokapital und Unternehmensinvestoren, die nach heißen Technologien suchen, bedeutet wachsende Geschäftsmöglichkeiten für Universitätswissenschaftler. Nelsen sagt jedoch, dass Wissenschaftler sich häufig ausschließlich auf die finanziellen Aspekte eines Deals konzentrieren, wenn sie eigentlich mehr als Geld suchen sollten. Geld ist vorhanden. Sie sollten nach Weisheit suchen, die damit einhergeht – Weisheit zu wissen, was in Urteilssituationen zu tun ist, beispielsweise wenn der Vorstandsvorsitzende nicht arbeitet oder jemand sein Patent verletzt.

Akademische Forscher stehen vor einer Reihe schwieriger Entscheidungen, wenn sie versuchen, ihre Technologien aus dem Labor in die Geschäftswelt zu führen. Sie könnten zum Beispiel einfach ihr Patent lizenzieren und mit ihrer Forschung fortfahren. Alternativ könnten sie eine Zusammenarbeit mit einem Unternehmen eingehen, das den Wissenschaftlern die Marketing- und Herstellungserfahrung bietet, die ihnen fehlt. Schließlich könnten sie versuchen, eine Finanzierung für ein eigenes Startup-Unternehmen zu finden.

Jede Option hat Vor- und Nachteile. Wie auch immer ihre Entscheidung ausfällt, Poehler und Searson sagen, dass sie ihre akademischen Jobs behalten und Geschäftsleuten die Führung jedes Unternehmens überlassen wollen. Die Lizenzierung der Technologie an ein etabliertes Batterieunternehmen ist finanziell eine sichere Sache, bedeutet aber in der Regel, die totale Kontrolle aufzugeben. Die Übernahme von Risikokapital könnte auch bedeuten, dass die Forscher mehr Kontrolle über ein Batterie-Spin-off abgeben würden, als dies bei anderen privaten Kapitalquellen der Fall wäre.

Bei der Entscheidung geht es darum, ob die Plastikbatterie jemals den Weg aus dem Labor sieht und sich als praktisches Gerät entpuppt. Die Kommerzialisierung neuer Batterietypen ist ein notorisch teurer Prozess, der neue Produktionsanlagen und ein langfristiges Engagement für eine bestimmte Technologie erfordert. Sobald ein Unternehmen eine Technologie lizenziert, erlangt es weitgehend die Kontrolle über sein Schicksal – einschließlich der Entscheidung, seine Entwicklung zu beenden. Wählen Sie den falschen Partner und die Batterie – einst der Liebling der 30-Sekunden-TV-Sound-Häppchen – kann schnell zu einem Haufen besserer Batterien eines Unternehmens verbannt werden, die nie funktionierten.

Auf der anderen Seite könnte das richtige Geschäftsmanöver Searson und Poehler sowie einer Handvoll ihrer Laborkollegen einen lukrativen Zahltag bescheren. Wie die meisten Forscher, die etwas mit kommerziellem Potenzial entdecken, haben Searson, Poehler und ihre Kollegen sorgfältig darauf geachtet, ein Patent anzumelden, bevor sie die Ergebnisse öffentlich veröffentlichen. Die Universität besitzt das Patent, aber Gewinne oder Lizenzgebühren werden so aufgeteilt, dass ein Drittel an die Universität, ein Drittel an die Forscher und ein Drittel an das Labor für seine zukünftige Forschung geht. Werden die Zahlen sehr groß, sinkt der persönliche Anteil der Forscher auf etwa 15 Prozent.

Im Moment scheint die Plastikbatterie von Johns Hopkins jedoch an einem Catch-22 hängen zu bleiben, der Labors, die nach Technologien in der frühen Entwicklungsphase suchen, häufig plagen; das Projekt braucht mehr Geld, um die nächste Entwicklungsstufe zu erreichen, aber die Geldgeber wollen mehr hochentwickelte Technologie sehen, bevor sie die Geldbeutel lockern.

Während der Risikokapitalmarkt weiter boomt und Start-ups in der Informationstechnologie und Biotechnologie eine gute Geldquelle bietet, bleiben Risikoinvestitionen in neue Materialien ein schleppender Sektor, der oft vernachlässigt wird. Die Wall Street mag keine Materialgeschichten, sagt Joe Lovett, General Partner von Medical Science Partners, einer Risikokapitalgesellschaft in Wellesley, Massachusetts, die sowohl Biotech- als auch Materialwissenschafts-Startups finanziert.

Josh Lerner, außerordentlicher Professor an der Harvard Business School und Experte für Risikokapital, sagt: Die Materialwissenschaft erlebte in den späten 1980er Jahren mit Hochtemperatur-Supraleitung einen kurzen Anstieg der Popularität. Aber die Leute scheinen von der Gegend desillusioniert zu sein. Lerner sagt, dass es trotz des Booms der Risikoinvestitionen immer noch eine sehr schmale Bandbreite an Technologien gibt, die finanziert werden; 80 bis 85 Prozent der Unternehmen sind in der Informationstechnologie und den Life Sciences tätig.

Abgesehen von solchen Finanzierungshindernissen sieht sich die Kunststoffbatterie einer harten Konkurrenz durch mehrere andere vielversprechende Batterietypen ausgesetzt, darunter Zink-Luft-Batterien und Lithiumbatterien. Jede dieser Technologien hat Investitionen in Höhe von Hunderten Millionen Dollar und einen entscheidenden Vorsprung. Einige wurden bereits in großem Maßstab hergestellt. Wie die Plastikbatterie sind sie effizient, leicht und kompakt. Lithium-Polymer-Akkus können zum Beispiel in fast jede Form gebracht, sogar in Stücke geschnitten werden, ohne ihre Ladung zu verlieren.

Wie stehen also die Chancen, dass wir eines Tages in Autos fahren, deren Teile mit Plastikbatterien ausgekleidet sind, und mit Handys telefonieren, die von dem Zeug angetrieben werden? Es ist noch zu früh, um es zu sagen. Wenn Poehler die Wahl hätte, würde einer der größten Batteriehersteller der Welt sagen: „Wir nehmen das und machen es und geben Ihnen viel, und Sie können immer noch Ihre eigene Arbeit tun, um die Technologie zu verbessern“, oder ein finanzielles Geldgeber kommen und ihnen eine Menge Geld geben, um ein Unternehmen zu gründen.

Aber die Wissenschaftler von Johns Hopkins wissen, dass das nicht so einfach ist. So suchen Poehler und Searson jeden Morgen weiter nach der unterzeichneten Vereinbarung, die uns einer Plastikbatterie-Realität näher bringen könnte. Trotz aller Forschungsdurchbrüche, des Medienrummels und vielversprechender Treffen ist es immer noch ein Traum, den großen Sprung in die kommerzielle Welt zu schaffen.

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