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Mobil-Akkus optimieren

Ein Akku [Quelle: freeimages.com, youmat]

Quelle: freeimages.com, youmat

In diesem Jahr werden laut den Marktforschern von Gartner mehr als zwei Milliarden Mobilgeräte verkauft, und jedes davon enthält einen Lithium-Ionen-Akku. Diese Technik markiert seit ein paar Jahren den Standard bei Energiespeichern, auch weil die Akkus so leicht sind. Allerdings erreichen sie mit Energiedichten von 150 bis 200 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg) nur rund ein Zehntel dessen, was man mit Lithium theoretisch erzielen könnte.

Die Ursache ist ein Materialproblem: Ein Li-Ion-Akku lädt beziehungsweise gibt seine elektrische Energie ab, indem er Lithium-Ionen verschiebt. Beim Laden wandern die positiv geladenen Ionen von der Kathode (positive Elektrode) durch eine Elektrolyt-Lösung zwischen die Grafitschichten der Anode (negative Elektrode), lagern sich dort ein und nehmen die Elektronen des Ladestroms auf. Beim Entladen geben sie die Elektronen in den Stromkreis ab und die Lithium-Ionen wandern zurück zur Kathode, in der sie sich wieder mit dem dort befindlichen Metall (meistens Kobalt) und dem Sauerstoff verbinden. Die Speicherkapazität eines Li-Ion-Akkus hängt davon ab, wie viele Lithium-Ionen sich zwischen den Grafitschichten platzieren lassen. Mit Silizium steht ein Stoff bereit, der Lithium im Grafit effektiver einlagert. Zum Vergleich: Man benötigt sechs Kohlenstoff-Atome, um ein Lithium-Ion zu binden. Dagegen kann ein Silizium-Atom gleich vier Lithium-Ionen einfangen.

Silizium erhöht die Leistungsdichte

Die Speicherdichte erhöht sich also dramatisch, wenn man zwischen den Grafitschichten Silizium einbaut. Nur dehnt es sich auf das Drei- bis Vierfache aus, wenn es mit dem Lithium eine Verbindung eingeht, und nach wenigen Ladezyklen reißt die Grafitschicht. Das Start-up Amprius, gegründet von Wissenschaftlern der Stanford University, hat dieses Problem gelöst. Rückendeckung erhält Amprius von so illustren Persönlichkeiten wie Googles Eric Schmidt und Nobelpreisträger Steven Chu (bis 2013 US-Energieminister). Erste Amprius-Akkus werden angeblich schon seit dem letzten Jahr in Mobilgeräten verbaut. Dabei stehen dem Start-up drei Methoden zur Verfügung, um das Grafitproblem zu lösen. Die erste ist poröses Silizium, das man sich wie einen Schwamm vorstellen kann. Es wird kaum größer, wenn sich Lithium einlagert, sodass die Grafitschichten intakt bleiben. Damit kann Amprius Akkus bauen, die bis zu 50 Prozent mehr Energie speichern als die herkömmlichen: 280 Wh/kg.

Effektiver als poröses Silizium speichert eine Schicht von Nanoröhren aus Silizium. Prototypen haben damit fast eine Verdoppelung der Ladekapazität auf 350 Wh/kg erreicht. Schwamm und Röhrchen müssen nach wie vor mit Grafit umhüllt werden, da das Silizium sonst mit der Elektrolyt-Lösung reagiert und sich so mit der Zeit abbaut. Yi Cui, Professor für Materialforschung in Stanford und technischer Kopf von Amprius, hat kürzlich eine dritte Methode vorgestellt. Die Stanford-Forscher haben jeweils einen Haufen von Silizium-Partikeln in eine Kohlenstoffumhüllung gesteckt, die nicht direkt anliegt, sondern Spielraum zum Wachsen der Silizium-Partikel lässt. Das Lithium kann sich dort einlagern und die Hülle bleibt trotzdem intakt. Selbst nach 1.000 Ladevorgängen war die Kapazität des Prototyps nur um drei Prozent gesunken – besser als alle bisherigen Silizium-Lösungen.

Effektiver als Li-Ion-Akkus

Die Effektivität von Akkus hängt direkt mit der Energiedichte chemischer Stoffe zusammen. Ein Blick darauf zeigt, dass andere Materialkombinationen wie Lithium-Schwefel oder Metall-Luft deutlich besser speichern. Lithium-Schwefel-Akkus (LiS) sorgen für eine Verbesserung der Kathode: Schwefel in der Kathode kann ebenso wie Silizium in der Anode mehr Lithium aufnehmen. Bisher entwickelte LiS-Prototypen liegen mit 350 Wh/kg schon über Li-Ion-Speichern, und sie sind damit noch nicht am Limit. Zwei Probleme verhindern eine höhere Effizienz: Die theoretische Energiedichte lässt sich in der Praxis nur erzielen, wenn man reines Lithium an der Anode einsetzt. Das ist schwierig, da es mit dem Elektrolyt reagiert. Dies tut auch der Schwefel, und zwar zu Polysulfid-Ionen, die dann ebenso zur Anode wandern und dort das Lithium abbauen bzw. in Form von Li2S binden. Ein solcher Akku hält nur wenige Ladezyklen.

Einem Fraunhofer-Forscherteam um Professor Holger Althues ist es gelungen, den Schwefel zu schützen. Sie umhüllen ihn mit einem Kohlenstoffmantel und nutzen eine ähnliche Hülle an der Anode. Der Prototyp übersteht 2.000 Ladezyklen. Althues erwartet für 2020 marktreife LiS-Akkus mit Energiedichten um 600 Wh/kg, das Dreifache der bisherigen Li-Ion-Akkus. Ebenfalls gute Werte erreicht ein an der Berkeley-Universität entwickelter Akku (siehe rechts), der in der Kathode den Schwefel auf der Kohlenstoff-Verbindung Graphenoxid ablagert und beides mit CTAB (Cetyltrimethylammoniumbromid) beschichtet. CTAB (ein Desinfektionsmittel) bleibt auch intakt, wenn sich der Schwefel bei der Aufnahme des Lithiums um 75 Prozent ausdehnt. Die Forscher haben zudem einen Elektrolyt entwickelt, der nicht mit Lithium reagiert. Der Berkeley-Akku erreicht 1.500 Ladezyklen bei einer Energiedichte von 500 Wh/kg.

Energie speichern mit Metall und Luft

Bisher galt: Akkus müssen luftdicht sein, sonst reagiert das Lithium mit dem Sauerstoff. Diese chemische Reaktion nutzen Metall-Luft-Akkus aus: Beim Entladen reagieren Metall-Atome in der Anode mit Sauerstoff aus der Luft und geben Elektronen ab. Sie wandern dann in Ionenform durch den Elektrolyt zur Kathode. Die potenzielle Energiedichte übertrifft den Li-Ion-Akku mit 1.100 Wh/kg bei Weitem. Zink-Luft-Batterien gibt es schon seit Jahrzehnten, doch das Zink baut sich beim Entladen ab. Damit dies in Akkus nicht geschieht, muss der Sauerstoff beim Wiederaufladen an der Kathode entweichen, damit aus den Metall-Ionen wieder Zink entsteht. Zudem braucht man einen speziellen Katalysator wie eine Kalilauge als Luftschutz für die Zink-Elektrode, damit sie nicht ungewollt oxidiert. Schwache Zink-Luft-Akkus mit Energiedichten vergleichbar mit Li-Ion-Speichern werden heute schon eingesetzt, etwa in Hörgeräten.

Das Start-up Imprint Energy hat sogar druckbare Akkus mit einem Polymer-Katalysator entwickelt, die sich durch ihre Biegsamkeit hervorragend für Kleingeräte eignen. Da Zink-Luft-Akkus einen permanenten Luftaustausch brauchen, taugen sie weniger für Mobilcomputer, haben aber eine Zukunft in Elektroautos, zumal sie auch keine brennbaren Stoffe enthalten. Die gespeicherte Energie baut sich über Jahrzehnte kaum ab, was sie ebenso für intelligente Stromnetze interessant macht: Die Firma Eos will entsprechende Speicher noch 2014 auf den Markt bringen.

Quelle: CHIP 06/2014

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