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Strom aus Sauerstoff

27.01.2014 | 10:13 Uhr |

Lithium-Ionen-Akkus sind nach ersten Qualitätsproblemen zur wichtigsten Energiequelle für Notebooks, Smartphones und Tablets geworden. In absehbarer Zeit sollen aber leichtere Metall-Luft-Akkus an deren Stelle treten.

Ein Grossteil der aktuellen IT-Technologie ist für den mobilen Einsatz fern von einer stationären Energieversorgung konzipiert. Seit 2008 werden mehr Notebooks als Desktop-PCs verkauft – aktuell gehen viermal so viele Notebooks über den Ladentisch als PCs. Und dieses Jahr konnten erstmals Tablets die Verkaufszahlen von Notebooks überflügeln, während das Produkt mit dem größten Marktanteil auch weiterhin das Smartphone ist. Was diese Geräte gemeinsam haben, ist die Energieversorgung in Form eines Akkus. Die entscheidenden Verkaufsargumente sind nicht mehr Rechenleistung, Speicher und Bildschirmauflösung, sondern auch die Akkulaufzeiten. Die Energiedichte und thermische Stabilität gibt inzwischen vor, wie Hersteller ihre Geräte gestalten können, und das Thema Energieeffizienz wurde in den letzten drei Jahren zu einem tonangebenden Aspekt in der Halbleiterentwicklung. Chipgiganten wie Intel werben bei neuen Prozessoren nicht mehr nur mit Rechen-Power, sondern hauptsächlich mit Energiesparfunktionen. Denn viel getan hat sich in der Akkutechnologie nicht: Die chemischen Grundlagen moderner Lithium-Ionen-Zellen sind seit 30 Jahren bekannt. In der gleichen Zeit, in der die Transistorzahl von Prozessoren um den Faktor 1000 höher wurde, hat sich die Energiedichte von Akkus gerade mal verdreifacht. Die Industrie sucht weiterhin nach dem Super-Akku und der Hoffnungsträger ist dabei der Metall-Luft- Akkumulator, der eine zehnmal höhere Energiedichte als Lithium-Ionen-Akkus liefern kann.

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Der Veteran: Nickel-Cadmium-Akku

Die Suche nach einem effizienten Energiespeicher ist so alt wie das Konzept tragbarer Elektronik. Einer der ersten PDAs, das Apple-Messagepad Newton, setzte 1993 noch auf die damals handelsüblichen Nickel-Cadmium- Akkus (NiCd). Dieser Akkutyp verfügt über eine Kathode aus Nickel(III)-Oxidhydroxid und eine mit Cadmium beschichtete Anode. Elektronen gewinnt der Akku über die Oxidation des Cadmiums – eine Reaktion, die sich beim Aufladen umkehrt. Die NiCd-Akkus bieten eine lange Lebenserwartung sowie große Robustheit und schnelle Ladezeiten. Niedrige sowie hohe Temperaturen können ihnen während der Betriebsphase wenig anhaben. Der Nachteil: Cadmium hat für Lebewesen sehr unerfreuliche chemische Eigenschaften und ist stark toxisch. In Europa sind heute Batterien und Akkumulatoren mit mehr als 0,002 Gewichtsprozent Cadmium verboten. Ganz kann leider nicht auf sie verzichtet werden. So eignet sich die NiCd- Technologie auf Grund ihres geringen Innenwiderstands bei hohen Belastungen sehr gut für Geräte in der Industrie und Luftfahrt. Bei Consumer-Elektronik spielen die Akkutypen aber keine Rolle mehr und wurden inzwischen komplett durch Nickel-Metallhydrid ersetzt.

Nickel-Metallhydrid: Ungiftiger Kompromiss

Schema eines Lithium- Ionen-Akkus: Anode und Kathode bestehen jeweils aus Folien mit großer Oberfläche, die mittels einer isolierenden Separatorschicht voneinander getrennt werden und im Gehäuse platzsparend aufgerollt oder gefaltet liegen.
Vergrößern Schema eines Lithium- Ionen-Akkus: Anode und Kathode bestehen jeweils aus Folien mit großer Oberfläche, die mittels einer isolierenden Separatorschicht voneinander getrennt werden und im Gehäuse platzsparend aufgerollt oder gefaltet liegen.

Zur Suche nach dem perfekten Akku kam nach der Ära der NiCd-Akkus noch die Notwendigkeit hinzu, auf chemikalische Reaktionen von Elementen mit niedriger Toxizität auszuweichen. Nickel-Metallhydrid-Akkus (NiMH) wurden deshalb die Nachfolger der NiCd-Akkus und bieten zudem eine höhere Energiedichte. Der Ladevorgang speichert Wasserstoffionen (Protonen) als Metallhydrid, das beim Entladen oxidiert und Protonen abgibt, die mit einer Kalilauge, dem Elektrolyt, reagieren und dabei Elektronen freisetzen. Ein enormer Vorteil ist dabei der Verzicht auf hochgiftige Chemikalien. Der Preis ist allerdings eine geringere thermische Stabilität, weniger Ladezyklen und ein starker Selbstentladungseffekt. Nickel-Metallhydrid reagiert außerdem ungnädig auf Überladen. Um die maximale Lebensdauer von etwa 500 Zyklen zu erreichen, ist ein intelligentes Ladegerät vonnöten. Der Akkutyp ist heute der Quasistandard, wenn es um Batterieersatz in den Bauformen D, C, AA und AAA geht.

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Lithium-Ionen-Akku: Ein explosives Debüt

Explosionen, ein Brand im Frachtraum eines Flugzeugs und qualmende Tischfeuerwerke: Der Lithium-Ionen-Akku hatte einen rauen Start und löste zwischen 2004 und 2006 eine der größten Rückrufaktionen in der IT-Geschichte aus. Lithium-Ionen-Akkumulatoren bieten gegenüber den Vorgängertypen eine um den Faktor 1,4 höhere Energiedichte und sind deshalb für den Einsatz in Kleingeräten wie Digitalkameras und modernen Notebooks ideal, für die NiMH-Zellen zu klobig wären. Der Akkutyp kann aus verschiedenen Chemikalien gefertigt werden, etwa mit Lithium-Cobaltdioxid, Lithium-Titanat, Lithium-Mangan, Lithium- Eisenphosphat oder Zinn-Schwefel-Lithium. Ein Problem ist aber die große Empfindlichkeit bei Kurzschlüssen und Überhitzung: Wird der Separator zwischen den Elektroden zerstört, kommt es zur explosionsartigen Energiefreisetzung. Dell musste deshalb 4,1 Millionen Notebook-Akkus zurückrufen, Apple 1,8 Millionen. In beiden Fällen war das Separatormaterial mit 9 μm zu dünn. Die hohe Energiedichte hat zudem ihren Preis: Der Li-Ion-Akku ist teurer als seine Vorgänger. Zu schaffen macht ihm auch der Verfall durch Oxidation. Seine Kapazität nimmt aus diesem Grund auch schon nach zwei bis drei Jahren drastisch ab – selbst wenn er nicht benutzt wird.

So viel Energie steckt drin: Als Vergleich finden sich auch Sprengstoffe in der Tabelle, wobei diese ihre Energie chemisch speichern und exotherm freisetzen und nicht wie Akkus und Batterien elektrochemisch.
Vergrößern So viel Energie steckt drin: Als Vergleich finden sich auch Sprengstoffe in der Tabelle, wobei diese ihre Energie chemisch speichern und exotherm freisetzen und nicht wie Akkus und Batterien elektrochemisch.

Biegsame Energiequelle: Lithium-Ionen-Polymer

Eine Sonderform des Lithium-Ionen-Akkus ist Lithium-Ion-Polymer (Li-Ion-Poly). Anders als der Li-Ion-Akku verwendet dieser jedoch keine flüssigen Elektrolyten. Ein stabiles Schutzgehäuse ist deshalb auch nicht erforderlich. Der Vorteil sind leichtere Akkus und freie Bauformen, die sich perfekt an Gerätekomponenten anschmiegen können, was kompakte Tablets und Smartphones ohne eine merkliche Ausbuchtung am Gehäuse erlaubt.

Vielversprechend sind Luftkathoden statt Metall. Auf der Suche nach wiederaufladbaren Batterien mit höherer Energiedichte bietet der Lithium-Luft-Akku eine aussichtsreiche Technik. Dabei besteht die Anode aus Lithium, während Sauerstoff die Kathode bildet. Positive geladene Ionen wandern von der Lithium- Anode zur Kathode, die aus einer luftdurchlässigen Membran besteht. Durch einen äußeren Stromkreis fließen freigesetzte Elektronen zum Verbraucher und ebenfalls zur Kathode, wo sie mit Sauerstoff und den Lithium-Ionen zu Lithiumperoxid reagieren. Diese Reaktion ist auch wieder umkehrbar, macht aber in den jetzigen Experimenten, unter anderem in den Laboren von IBM noch Schwierigkeiten: Der Ladeprozess dauert noch zu lang und erfordert zu viel Energie, was den Wirkungsgrad drückt. Auch Hitzeentwicklung und Luftfeuchtigkeit, die immer eine potenzielle Gefahr für das Lithium bedeuten, sind noch Hürden, die einer zügigen Marktreife im Weg stehen. Immerhin versprechen die ersten Prototypen die 7fache Energiedichte. Damit ist klar, dass die Akkus höchsten Sicherheitsansprüchen genügen müssen. Denn eine unkontrollierte, exotherme Reaktion wie bei den ersten Lithium-Ionen-Akkus würde diesen Akkutyp in ein Stück Sprengstoff verwandeln – keine angenehme Vorstellung bei Smartphones in der Hosentasche.

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