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Akku-Technologie: Der Blick in die Zukunft

16.03.2016 | 08:30 Uhr |

Ob Smartphone, Tablet oder Smartwatch – fast alle Geräte arbeiten mit einem Akku. Wir verraten, was die Zukunft bereit hält.

Lithium-Ionen, Lithium-Polymer, Nickel-Metallhydrid, Nickel-Cadmium – seit Jahren geistern kryptische Kopplungen durch die Akkuwelt, die den normalen Anwendern nur wenig oder gar nichts sagen. Dazu kommen Begriffe wie „Memoryeffekt“, „Tiefentladung“ und „Fast Charge“ – auch das alles Bezeichnungen, die etwas Kenntnis der Materie voraussetzen.

Wir haben uns mit der aktuellen Akkutechnik auseinandergesetzt und möchten Ihnen die für Mobilgeräte wichtigen Fakten näherbringen. Dazu werfen wir zuerst einen Blick auf die gängigen Techniken.

Grundsätzlich besteht ein Akku aus einer positiven und einer negativen Elektrode in einer Elektrolytlösung (= galvanisches Element). Der Elektrolyt, der für das Speichern der Energie zuständig ist, kann dabei flüssig, gelartig oder sogar ein Feststoff sein. Beim Aufladen wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt. Ist ein Verbraucher angeschlossen, wird dieser Prozess wieder umgekehrt, also rückgängig gemacht. Die elektrische Nennspannung, der Wirkungsgrad und die Energiedichte sind dabei abhängig von den verwendeten Materialien.

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Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Akkus

In aktuellen Smartphones und Tablets kommen in erster Linie Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Akkus zum Einsatz. Die anfangs erwähnten Nickel-Metallhydrid-Akkus sind zwar sehr leistungsstark, aber auch sehr anfällig für Überladung, Überhitzung und Tiefentladung. Nickel- Cadmium-Akkus (die mit dem Memoryeffekt!) dürfen seit 2009 wegen des giftigen Cadmiums nur noch in Not- oder Alarmsystemen, Notbeleuchtungen, medizinischer Ausrüstung und kabellosen Elektrowerkzeugen eingesetzt werden.

Lithium-Polymer-Akkus sind eine Weiterentwicklung der Lithium-Ionen-Akkus: Während bei beiden Bauweisen die negative Elektrode aus Graphit, die positive Elektrode aus Lithium-Metalloxid besteht, ist der Elektrolyt bei Lithium- Ionen-Akkus flüssig, bei Lithium-Polymer-Akkus basiert er dagegen auf einem gelartigen bis festen Polymer. Dadurch lassen sich Lithium-Polymer-Akkus in verschiedenen Bauformen anfertigen, sind jedoch empfindlicher, was Temperaturschwankungen anbelangt.

Die mobile Brennstoffzelle „Kraftwerk“ von eZelleron soll Smartphones bis zu fünfmal komplett aufladen.
Vergrößern Die mobile Brennstoffzelle „Kraftwerk“ von eZelleron soll Smartphones bis zu fünfmal komplett aufladen.

Brennstoffzellen für die Hosentasche

Eine Technik, die immer wieder mit Akkus in Verbindung gebracht wird, ist die Brennstoffzelle. Dabei handelt es sich um eine galvanische Zelle, die die chemische Energie eines Brennstoffs und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt. Mobile Brennstoffzellen eignen sich derzeit vor allem dazu, Mobilgeräte unterwegs aufzuladen. Ein Beispiel ist Powertrekk „myFC“, das aus einem herkömmlichen Akkupack und einer kleinen Brennstoffzelle besteht. Der Akku lässt sich an der Steckdose aufladen und dient bei Bedarf auch als Pufferspeicher für die Brennstoffzelle. Ist keine stationäre Stromzufuhr vorhanden, kommt die Brennstoffzelle ins Spiel: Für die Energieerzeugung sind 15 Milliliter Wasser sowie eine spezielle Brennstoffkartusche namens „Puck“ nötig. Diese kleinen Kartuschen beinhalten zwei Arten von Salzen, die als Katalysatoren arbeiten, um den energiereichen Wasserstoff vom Wasser zu lösen. Mit einem einzelnen Puck erzeugen Sie zwischen 1200 und 1400 mAh, die Ihnen sofort zur Verfügung stehen – mehr als genug, um ein Smartphone mindestens zur Hälfte aufzuladen. Als Nebenprodukt der Katalyse entsteht harmloser Wasserdampf, den Puck werfen Sie in den Restmüll.

„Upp“ von Intelligent Energy ist ebenfalls eine mobile Brennstoffzelle, die aus einer Brennstoffzelle inklusive Energiewandler sowie einer Kartusche mit Wasserstoff besteht. Sie soll genug Energie erzeugen, um ein Smartphone bis zu fünfmal aufzuladen. Des Weiteren lassen sich die Kartuschen wieder befüllen.

Produkte auf Flüssiggasbasis sind beispielsweise „Kraftwerk“ der Firma eZelleron sowie „Nectar“ von Lilliputian Systems. Doch während „Kraftwerk“ die Marktreife erreicht hat und sich das Unternehmen derzeit nur mit einer Klage der gleichnamigen Elektropop-Band herumschlagen muss, hat der MIT-Ableger Lilliputian Systems Insolvenz angemeldet, weshalb das Produkt bisher nicht erschienen ist.

Feststoff-Akkus in der Zukunft

Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben in Zusammenarbeit mit Samsung einen Solid-State-Elektrolyt entwickelt, der die Leistung und die Sicherheit von Akkus erhöhen könnte. Denn ein fester Elektrolyt entzündet sich bei Überhitzung nicht, lässt sich also besser bearbeiten als ein flüssiger Elektrolyt. Zudem sollen Akkus mit Solid-State-Elektrolyt langlebiger sein, was die Ladezyklen angeht. Die größte Hürde bei der Forschung sei gewesen, ein Material zu finden, das die Leitfähigkeit der Ionen nicht beeinträchtigt. Wann ein erster Super-Akku mit festem Elektrolyt auf den Markt kommt, ist noch nicht bekannt.

Beim kabellosen Laden beherrschen derzeit die beiden Technologien Qi und Rezence den Markt. Voraussetzung ist dabei stets, dass Mobilgerät und Ladeschale die Technik unterstützen.
Vergrößern Beim kabellosen Laden beherrschen derzeit die beiden Technologien Qi und Rezence den Markt. Voraussetzung ist dabei stets, dass Mobilgerät und Ladeschale die Technik unterstützen.

Akkus kabellos laden

Eine Alternative zum herkömmlichen USB-Ladegerät stellt das kabellose Laden dar, das Ihr Smartphone entweder nativ unterstützt oder per Spezialhülle erfolgt. Dabei legen Sie Ihr Mobilgerät einfach auf eine entsprechende Ladestation; auch das Laden von mehreren Geräten gleichzeitig ist möglich. Derzeit sind vor allem zwei Techniken im Markt zu finden: Qi und Rezence. Qi nutzt elektromagnetische Induktion zum Laden, Rezence setzt auf Magnetresonanz. Beide Techniken benötigen einen Sender im Ladegerät und einen Empfänger, der im Mobilgerät sitzt. Die Transmitterspule im Ladegerät baut ein Magnetfeld auf, das Spannung in der Empfängerspule erzeugt und das Mobilgerät auflädt. Bei Qi müssen die Geräte dafür unmittelbar übereinanderliegen. Rezence funktioniert dagegen über weitere Distanzen und wird auch durch Metalle nicht gestört. So lässt sich die Technik einfacher in Räumen oder Gegenständen integrieren.

Auch in der übertragenen Leistung gibt es Unterschiede: Qi schafft derzeit fünf Watt und soll sich auf maximal 15 Watt steigern lassen; Rezence soll in der finalen Fassung mehr als 50 Watt liefern. Damit können sich dann auch größere Geräte wie Tablets und Notebooks aufladen lassen – im besten Fall sogar gleichzeitig. Denn Rezence soll mit einem Charger unterschiedliche Mobilgeräte erkennen und seine Übertragungsleistung individuell anpassen. Für die Kommunikation zwischen Ladestation und Gerät nutzt Rezence Bluetooth, während Qi meist auf RFID oder NFC zurückgreift.

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