Der Akku der Zukunft: Wir brauchen mehr Energie

Die heutige Smartphone-Technologie ist ohne Lithium-Ionen-Akkus kaum vorstellbar. Die jährlichen 2,5 Mrd. produzierten Zellen kommen nicht nur im kleinen Stil in Laptops oder Smartphones zum Einsatz, sondern auch in Elektroautos oder Flugzeugen. Doch mit der rasanten Technologie-Entwicklung kann der Allzweck-Akku nicht mehr mithalten. Die Forschung setzt deshalb vermehrt auf Alternativen wie Graphen oder Lithium-Schwefel-Verbindungen, die den Akku fit für neue Herausforderungen machen sollen. Wir wagen einen Blick in die Zukunft der Akkutechnologie.

Smartphone Akku

Haben Lithium-Ionen-Akkus ausgedient?

Nicht ohne Grund haben sich Lithium-Ionen-Akkus in den letzten Jahren gegenüber anderen Akkutypen durchgesetzt und versorgen den Großteil der weltweit genutzten Klein- sowie Großelektronik mit Energie. Sie verfügen gegenüber den aktuell gängigen Akkus über eine der höchsten Energiedichten, verlieren auch bei langem Nichtladen nur einen geringen Teil der Ladung und leiden nicht unter dem Memory-Effekt (Spannungsabfall). Trotzdem werden die Nachteile der Lithium-Ionen-Akkus immer deutlicher, was vor allem an den steigenden Anforderungen von Seiten der Forschung und der Verbraucher liegt. Zu den Nachteilen der Lithium-Ionen-Technologie zählen:

  • Eine vergleichsweise lange Ladezeit
  • Eine geringe Speicherkapazität
  • Je größer die Miniaturisierung, desto schwieriger wird es, die gleiche Leistung beizubehalten
  • Relativ viel Gewicht
  • Empfindlich gegenüber extremen Temperaturen
  • Gefahr von Überhitzung durch die Reaktion von Elektrolyt mit Lithium

Diese Nachteile sind nicht zwangsläufig ein Problem. Jedoch werden moderne elektronische Geräte immer kleiner und verbrauchen gleichzeitig mehr Energie (Smartphones) oder sind auf Akkus angewiesen, die wenig wiegen und trotzdem viel Leistung bringen müssen (Elektroautos). Zwar hat die Forschung bisher noch keinen erfolgreichen Nachfolger für den Lithium-Ionen-Akku etablieren können, doch es gibt bereits eine Vielzahl an erfolgsversprechenden neuen Technologien, die es wert sind, etwas genauer betrachtet zu werden.

Zukunftsweisende Erfindungen 1: Der Körper als Akku
Einfach etwas mehr bewegen und schon lädt sich das Smartphone von alleine auf. Das könnte mit „Ampy“ möglich werden. Der Mini-Akku soll sich durch kinetische Energie aufladen. In den Induktoren des portablen Akkus befinden sich Magnete, die bei Bewegung die innenliegende Lithium-Ionen-Batterie aufladen. 10.000 Schritte gemütlichen Gehens sollen so für drei Stunden mehr Akku-Ladung für ein Smartphone sorgen. Noch befindet sich „Ampy“ in der Testphase. Das Gerät kann aber schon vorbestellt werden. (Quelle)

Lithium-Schwefel-Technologie: hohe Energiedichte

Die Idee der Lithium-Schwefel-Batterien ist nicht neu. Schon seit 40 Jahren versuchen Forscher, die Schwachstellen der LI-S-Technologie auszubügeln und die Vorteile aufzupolieren. Dabei kann der Lithium-Schwefel-Akku durch besonders kostengünstiges Material und doppelt so viel gespeicherte Energie pro Gewicht wie bei Lithium-Ionen-Akkus punkten.

Noch wird im Labor an der Lithium-Schwefel-Technologie geforscht.
Noch wird im Labor an der Lithium-Schwefel-Technologie geforscht.

Im Labor ist es gegenwärtig möglich Lithium-Schwefel-Akkus zu bauen, die nicht so schnell austrocknen. Was vorher die Schwachstelle der Lithium-Schwefel-Batterien war. (Quelle) Potential sehen die Verfechter der Lithium-Schwefel-Technologie vor allem bei Elektrofahrzeugen, die auf eine hohe Energiedichte angewiesen sind, derzeit aber noch eine um 25-mal kleinere Energiedichte als Verbrennungsmotoren aufweisen. (Quelle). Hier können Lithium-Schwefel-Akkus zu einer leistungsstarken Alternative werden.

Graphen: das Material der Zukunft

Nur eine Atomlage dünn (33,5 Nanometer) ist das Material Graphen und mit einem Gewicht von 757 Gramm pro Quadratkilometer nicht wirklich schwer. Das sind aber noch nicht alle Vorteile des einschichtigen Kohlenstoffs. Denn Graphen (die Betonung liegt auf dem e) verfügt auch über eine hohe Leitfähigkeit. 2014 schafften es italienische Forscher erstmals, Graphen in einen Lithium-Ionen-Akku einzubauen.

 

Graphen unter dem Mikroskop
Graphen unter dem Mikroskop

Damit brachte es der Lithium-Ionen-Akku auf stolze 190 Wattstunden pro Kilogramm, im Vergleich zu den eher enttäuschenden 100 Watt herkömmlicher Akkus. (Quelle) Graphen-Batterien bieten dabei nicht nur den Vorteil, dass sie mehr Energie als handelsübliche Akkus speichern, sondern auch, dass sie 100- bis 1000-mal schneller aufgeladen werden können. (Quelle) Anfang 2015 kündigte das chinesische Unternehmen Moxi und Galapad Technology an, erstmals Handys für den kommerziellen Vertrieb zu produzieren, in denen Graphen verbaut wird. Die Akkulaufzeit soll sich dadurch um rund 50 Prozent steigern und die Speicherkapazität um rund zehn Prozent. (Quelle)

Zukunftsweisende Erfindungen 2: Solartechnik
Noch müssen sich Smartphone-Besitzer mit eher unzureichender Akku-Leistung zufrieden geben. Das ist vor allem schlecht, wenn man länger als einen Tag ohne Steckdose auskommen muss. Hier setzt die Idee von Kyocera an: Eine transparente Solarzelle wird in das Display eingebaut. Zwar kann „Wysips“ nicht auf einen Schlag den Akku aufladen, denn dafür ist die Fläche des Displays einfach zu kein. Jedoch soll es möglich sein, dass die transparente Solarzelle rund 5 Milliwatt pro Quadratzentimeter liefert. (Quelle)

Die Lithium-Anode: Dreimal so viel Energie

Sich ganz abwenden vom Lithium-Ionen-Akku? Das muss nicht sein. Jedenfalls nicht, wenn es nach Forschern an der Stanford Universität geht. 2014 gelang es, eine Lithium-Anode herzustellen. Damit wird eine Schwachstelle des herkömmlichen L-I-Akkus ausgebügelt: Bisher besteht die Anode aus Kohlenstoff (Silizium oder Graphit), zu der die Elektronen beim Entladen gelangen.

Mit einer Lithium-Anode erhöht sich die Energiedichte der Lithium-Batterie
Mit einer Lithium-Anode erhöht sich die Energiedichte der Lithium-Batterie.

Im Gegensatz zu einer Anode aus Lithium ist die Energiedichte des Kohlenstoff-Modells geringer und das Gewicht höher. Doch Lithium ist kein einfaches Material, denn es entwickelt beim Laden Verästelungen, die sich negativ auf die Leistungsfähigkeit des Akkus auswirken. Die Lösung der Wissenschaftler: Die Lithium-Anode mit einer dünnen Bienenwaben-artigen Schicht aus Kohlenstoff umschließen. Dadurch wird der Negativ-Effekt auf die Leistungsfähigkeit des Akkus verhindert.

So könnten Smartphones zukünftig dreimal so stark mit Strom versorgt werden. Ein weiterer Bonuspunkt: Der Kontakt von Lithium mit Elektrolyt wird weitestgehend unterbunden, was das Freisetzen von Wärme und damit Überhitzungen verhindert. (Quelle) Mehr Informationen zur Funktionsweise eines Lithium-Ionen-Akkus finden Sie auch hier.

Der mobile Gas-Akku: Das Mini-Kraftwerk

Wer sich für die Zukunft der Akku-Technologie interessiert, sollte auch einen Blick auf aktuelle Crowdfunding-Projekte werfen. Auf Online-Plattformen wie Kickstarter setzen einige Tüftler nicht auf Hightech, sondern auf unscheinbares Campinggas. So geschehen bei „Kraftwerk“ des deutschen Startups eZelleron. Der Mini-Akku passt in jede Hosentasche und ist mit herkömmlichem Flüssiggas gefüllt, das es an Tankstellen oder sogar im Supermarkt zu kaufen gibt.

Ein voller Akku dank Flüssiggas? Mit "Kraftwerk" wird das möglich.
Ein voller Akku dank Flüssiggas? Mit „Kraftwerk“ wird das möglich.

Das Gas wird durch die eingebaute Technologie in Strom umgewandelt. Eine Ladung umfasst rund 40 Gramm und ist zum Beispiel in der Lage, ein iPhone elfmal aufzuladen. Damit ist „Kraftwerk“ nicht nur in der Wildnis ein praktischer Begleiter, sondern auch auf Flugreisen, wenn ein leerer Akku das Boarding verhindern kann. Es soll jedoch zukünftig nicht nur ein Mini-Kraftwerk zu kaufen geben: Für 2022 plant das Startup auch einen Prototyp, der in der Lage sein soll, ein Auto anzutreiben. (Quelle)

Zukunftsweisende Erfindungen 3: Temperaturunterschiede
Nicht nur durch die Sonne lassen sich Akkus aufladen, sondern auch durch Temperaturunterschiede. Findige Forscher am Massachusetts Institute of Technology haben einen derartigen Akku entwickelt. Dazu wird eine Technologie angewendet, die sich „Energy Harvesting“ nennt. Die Elektroden kühlen sich jeweils auf 20 Grad ab, um dann wieder auf 60 Grad erwärmt zu werden. Dazu bedarf es nur geringer Schwankungen in der Außentemperatur. Die aktiven Mineralien Kaliumhexacyanoferrat und Preußischblau wechseln je nach Wärmegrad jeweils ihre Polarität. Dadurch baut sich Spannung auf, die Batterie entlädt sich und es kommt zum Stromfluss. (Quelle)

Herausforderungen Wearables

Wearables wie Smart-Watches stellen eine große Herausforderung für Technologie-Unternehmen dar, denn sie müssen leicht sein und sich an den Körper anpassen. Mit herkömmlichen Akkus ist in diesem Fall keine gute Energieversorgung gewährleistet. Eine Lösung für dieses Problem könnte die Forschung des Korea Advanced Institute of Science and Technology liefern. Dem Team gelang es 2014 erstmals, zwei thermoelektrische Stoffe auf ein Glasfasergewebe aufzutragen, das biegsam ist und nur 0,13g/cm2 wiegt. Dieser kleine Generator ist in der Lage Körperwärme in elektrische Energie umzuwandeln. (Quelle)

Für Wearables wie die Smartwatch braucht es neue Akku-Technologien.
Für Wearables wie die Smartwatch braucht es neue Akku-Technologien.

Ebenfalls eine Innovation für Wearables ist die Zink-Poly-Batterie, die vom US-amerikanischen Unternehmen Imprint Energy entwickelt wurde. So entsteht eine Batterie, die besonders dünn und biegsam ist. Im Gegensatz zu Lithium ist das verarbeitet Zink nicht giftig und umweltverträglich, was den Zink-Poly-Akku zu einer interessanten Akku-Option für die Zukunft machen könnte. (Quelle)

Wie sieht der Akku der Zukunft aus?

Akkus sind die Achillesferse des Technik-Booms. Kein Wunder also, dass Forscherteams weltweit versuchen, den Akku fit für die Zukunft zu machen. Das bedeutet vor allem: neue Materialien kombinieren, die dem klassischen Lithium-Ionen-Akku in Speicherkapazität und Lade-Geschwindigkeit überlegen sind. Daneben wird aber auch weiterhin daran getüftelt, L-I-Akkus leistungsfähiger zu machen, zum Beispiel mithilfe von Sand, einer Lithium-Anode oder Nano-Röhrchen aus Karbon.

Der Akku der Zukunft in der Übersicht
  • Lithium-Ionen-Akkus können durch die Zugabe von neuen Materialien wie Graphen oder den Umstieg von Kohlenstoff auf Lithium bei der Anode mehr Energie speichern.
  • Lithium bleibt eine Komponente in Akkus, wird jedoch mit anderen Materialien wie Schwefel kombiniert. Das Ergebnis: eine erhöhte Energiedichte.
  • Es wird versucht Alternativen zur Lithium-Ionen-Technologie zu finden. Beispiele dafür sind Gas-Akkus, die Zink-Poly-Batterie, „Energy Harvesting“ oder die Verwendung von Solartechnik.

Ob unser Smartphone in Zukunft nur noch einmal in der Woche geladen werden muss und Elektroautos endlich mehr als 100 km am Stück fahren können, ist nicht unwahrscheinlich. Jedoch zeigt der Stand der Forschung: Es bleibt spannend in der Akkutechnologie.

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