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Stärkere Akkus

Das Handy jeden Tag ans Ladegerät hängen? Neuartige Akkus könnten diesem nervigen Ritual schon bald ein Ende bereiten

Smartphones werden immer schlanker und schneller. Das nützt jedoch nichts, wenn der Akku nicht mal einen Tag lang hält. Gerade in Zeiten von Mobile Computing und Wearables steigt die Nachfrage nach leistungsfähigen Batterien. Im Kern geht es dabei vor allem um die Energiedichte, also die Frage: Wie viele Ladungsträger kann ein Akku auf einem bestimmten Raum fassen? Übertragen auf die heute vorherrschende Lithium-Ionen-Technik bedeutet das: Je mehr Lithium-Atome in die Anode einer Batterie passen, desto mehr Energie kann sie speichern. Am effektivsten freilich wäre es, die Anode gleich komplett aus reinem Lithium zu bauen. Solche Versuche allerdings führten bisher dazu, dass Akkus bereits nach wenigen Ladezyklen nicht mehr funktionierten oder in Flammen aufgingen.

Dem Start-up SolidEnergy, eine Ausgründung des Massachusetts Institute of Technology, ist es nun gelungen, dieses Problem zu lösen. Durch die Kombination eines festen und flüssigen Elektrolyts (das ist der Stoff, durch den die Lithium-Ionen bei der Entladung wandern) wird die chemische Reaktion zwischen Lithium und flüssigem Elektrolyt verhindert, die einen Akku entzünden kann. Der feste Elektrolyt liegt quasi als Trennwand zwischen dem Lithium und dem flüssigen Elektrolyt. Zwar leitet er Ionen schlechter als ein flüssiger Elektrolyt, er ist allerdings so dünn, dass dieser Nachteil nicht zum Tragen kommt. Diese neue Bauweise erhöht die Energiedichte enorm (siehe rechts oben). In ersten Tests haben solche Zellen nach 300 Ladezyklen nur 20 Prozent ihrer Speicherkapazität verloren – ein mit heutigen Smartphone-Akkus vergleichbarer Wert.

Zukunftsbatterien mit Luft und Wasser

So verbreitet Lithium-Ionen-Akkus bei Smartphones auch sein mögen, für Elektroautos sind sie nicht optimal. Die Energiedichte ist für diesen Anwendungsfall zu gering, was dazu führt, dass Elektroautos bislang auf schwer akzeptable 150 Kilometer Reichweite beschränkt sind. Zudem sind die Kathoden-Materialien relativ teuer, in einer Lithium- Ionen-Zelle kommen etwa Mangan oder Cobalt zum Einsatz (siehe Grafik rechts unten). Deshalb haben sich 2014 vier Fraunhofer-Institute im Projekt „LiScell“ zusammengeschlossen, um an Lithium- Schwefel-Batterien (Li-S) zu forschen. In Li-S-Zellen ließe sich das bisher teure Kathodenmaterial in Lithium-Ionen-Akkus durch kostengünstigen, ungiftigen Schwefel ersetzen. Zudem wollen die Forscher damit die Energiedichte um mindestens 60 Prozent erhöhen.

Noch höhere Energiedichten lassen sich nur mit Metall-Luft-Batterien erzielen. Leider gehen Anoden aus Metallen wie Aluminium durch die elektrochemischen Prozesse in einer Zelle schnell kaputt. Die japanische Firma Fuji Pigment hat jetzt bekanntgegeben, eine neuartige Zelle aus Aluminium und Luft (!) herstellen zu können. Die Alu-Elektrode soll mindestens 14 Tage lang halten, weil sie laut Hersteller durch eine Keramikschicht geschützt wird. Laut Fuji Pigment ist die theoretische Energiedichte 40-mal höher als die von Lithium- Ionen-Zellen. Und das Besondere: Zum Betrieb muss lediglich ab und zu Wasser nachgefüllt werden.

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