So sieht der Akku der Zukunft aus

« Wie sieht die nächste Akku-Generation aus? Diese Frage stellen sich nicht nur viele Konsumenten, sondern auch zahlreiche Forscher-Teams auf der ganzen Welt. Unser Magazin versucht, etwas Licht in dieses komplexe Thema zu bringen. »

Ob Smartphone, Barcode Scanner oder Tablet – nahezu alle elektronischen Geräte arbeiten mit einem Akku. Die wenigsten von uns wissen jedoch, wie die praktischen Stromspeicher funktionieren. Hier erfahren Sie, was die kleinen Energieversorger alles leisten. Außerdem verraten wir, welche Entwicklung die neue Akku-Generation nehmen wird.

Wie funktioniert ein Akku?

So oft wir sie auch verwenden, so wenig wissen wir, wie sie funktionieren. Dabei ist das Grundprinzip relativ einfach erklärt: Akkus wandeln chemische Energie in elektrische Energie um. Im Inneren der Stromspeicher befindet sich eine Flüssigkeit – das Elektrolyt. Außerdem enthält jeder Akkumulator zwei verschiedene Arten von Metall – die Elektroden. Durch den Elektrolyten kommt es zu einer Reaktion zwischen den beiden Elektroden – die Elektronen tauschen sich aus. Stecken wir den Akkumulator an eine Stromquelle an, findet im Inneren eine chemische Reaktion statt. Während dieses Ladevorgangs verwandelt sich elektrische Energie in chemische Energie. Schließen wir ein Verbrauchergerät an, geschieht genau das Gegenteil. Handy, Fotoapparat & Co. laufen so lange, bis der Speicher leer ist. Der Ladevorgang muss neu beginnen.

Lithium-Ionen-Akkumulatoren: Willkommen in der Gegenwart

Derzeit am weitesten verbreitet sind Lithium-Ionen-Akkumulatoren. Kaum ein Smartphone, Tablet oder Notebook, welches nicht mit einer solchen Batterie betrieben wird. Bei dieser Variante besteht die positive Elektrode aus Lithium-Metalloxid, die negative aus Graphit.

Die Vorteile: Die Akkus überzeugen durch eine extrem hohe Energiedichte. Bei der richtigen Lagerung verfügen die Batterien über eine geringe Selbstentladung. Weiterer Pluspunkt: Die Akkus weisen so gut wie keinen Memory Effekt auf. Damit wird der Kapazitätsverlust bezeichnet, der bei einer häufigen Teilentladung auftritt. Aufgepasst jedoch bei hohen Temperaturen: Dann wird die Lebensdauer dieser Akkuart nämlich massiv verkürzt.

Selbstentladung – ein ungelöstes Problem

Wer oft mit einem Ersatzakku arbeitet, kennt das Problem nur zu gut: Auch, wenn die aufladbare Batterie nur gelagert wird, verliert sie an Leistung – und das, ohne an einem Verbrauchergerät angeschlossen zu sein. Ärgerlich, wenn der eingelegte Ersatzakku seinen Zweck kaum mehr erfüllt. Schuld daran sind chemische Reaktionen und interne Kurzschlüsse. Der Grad der Selbstentladung hängt wiederum von den verschiedensten Faktoren – wie zum Beispiel der Lagertemperatur oder eventuellen Verunreinigungen – ab.

Als Faustregel gilt: Eine Temperaturerhöhung von 10 ° Celsius verdoppelt die Geschwindigkeit der Ersatzakku-Selbstentladung.

Lithium-Schwefel: Ein Akkutyp auf der Überholspur

Lithium-Schwefel-Akkus hatten bis vor kurzer Zeit keinen guten Ruf. Schuld daran war deren geringe Lebensdauer – schon nach weniger als 100 Ladezyklen waren die Akkuzellen am Ende. Inzwischen glauben jedoch immer mehr Experten, dass jene Akkus zum erfolgreichen Nachfolger der Lithium-Ionen-Batterie aufsteigen können. Die Modelle arbeiten mit extrem kostengünstigen Materialien und speichern in der Theorie bis zu fünf Mal mehr Energie als die aktuell überall eingesetzten Pendants. Das herkömmliche Graphit wird dabei durch reines Lithiummetall ersetzt, das gleichzeitig als Lithiumionenquelle und als Elektrode fungiert. Das alles verschafft dieser Technologie einen erheblichen Kosten- und Gewichtsvorteil. Entscheidend wird sein, ob es der Wissenschaft gelingt, den Akkutyp auf eine konkurrenzfähige Lebensdauer zu bringen.

Lithium-Luft: Der Akku der Zukunft?

Lithium-Luft-Akkumulatoren gelten als Technologie der Zukunft. Die Besonderheit: Die positive Elektrode besteht aus mesoporösem Kohlenstoff und dient als elektronischer Leiter, ohne am elektrochemischen Prozess beteiligt zu sein. Die negative Lithium-Elektrode wird über ein flüssiges Elektrolyt mit der Kohlenstoff-Elektrode in Verbindung gebracht. Theoretisch ist dieses System nicht nur wesentlich leistungsfähiger, sondern auch bedeutend leichter. Leider sind diese Akkutypen noch nicht praxisreif, weil deren Lebensdauer äußerst gering ist. Nach nur einigen wenigen Ladezyklen zersetzt sich die Elektrolytflüssigkeit und die Kohlenstoffelektrode korrodiert.

Unklar war bis jetzt, warum das so ist. Ein Münchner Forschungsteam steht jedoch kurz davor, das Rätsel zu lösen. So hat man entdeckt, dass beim Ladevorgang ein extrem reaktionsfreudiger Singulett-Sauerstoff freigesetzt wird, der sofort die umgebenden Materialien korrodiert. Nun arbeiten die Wissenschaftler an der Herausforderung, das Entstehen des Singulett-Sauerstoffs beim Aufladen zu verhindern. Vielleicht gelingt ihnen der Durchbruch und sie schaffen die Voraussetzung für die Entwicklung eines ultraleichten, leistungsstarken Lithium-Luft-Akkus.

Nanotechnologie: Revolution in der Akkubranche

Ein Akkumulator, der dreimal so viel Energie speichert wie eine herkömmlicher und dabei 80.000-mal dünner als ein Haar ist? Utopie – werden viele sagen. Und doch haben US-Forscher diese Technik bereits getestet – und das Ergebnis konnte durchaus mithalten. Dabei haben Wissenschaftler winzige Poren in Aluminiumoxid als Trägermaterial erzeugt. Mit einem Durchmesser von 250 Nanometer – 50 Mikrometer lang – wurden die Akkumulatorzellen konstruiert. Auf einer Fläche eines Quadratzentimeters könnte man ungefähr zwei Milliarden Nanoporen unterbringen. Am Ende jeder einzelnen Nanopore wird Ruthenium als leitendes Material deponiert, über das die Zelle geladen und entladen wird.

Die neue Technologie lässt heute schon die Herzen von Produkt-Designern höher schlagen. Die geringe Größe der Akkuzellen würde völlig neue Möglichkeiten in der Herstellung elektronischer Geräte eröffnen. Zuerst gilt es allerdings, die Leistung der Nanoakkus wesentlich zu verbessern und das System zu perfektionieren. Erst dann kann an eine industrielle Produktion gedacht werden.

Abenteuer Akkuforschung

Experten sind sich einig: In der Akkuforschung stehen wir erst am Anfang. Der Akku der Zukunft wird äußerst leicht und in kürzester Zeit aufzuladen sein. Die Speicherkapazität wächst während die Herstellungskosten sinken. Das Ziel ist klar, der Weg dahin bleibt jedoch spannend. Grundlagenforschung in den bizarrsten Systemen heißt das Gebot der Stunde. Nur so haben die neuen Batterietypen eine Chance, technisch und wirtschaftlich erfolgreich zu sein.