Mit diesen Akku-Technologien sollen Smartphones künftig länger durchhalten

Rafael Thiel 3

Die Welt vernetzt sich mit mobilen Endgeräten: Smartphones, Tablets und Smartwatches avancieren zu essentiellen Begleitern im Alltag – bis der Saft ausgeht. Denn trotz anhaltendem Fortschritt in anderen Bereichen wie hochauflösenden Bildschirmen und hochperformanten Prozessoren gab es in der näheren Vergangenheit keinen wirklichen Durchbruch bei Akkumulatoren. Dabei wird angesichts der boomenden Technikbranche fleißig an potenteren Energiespeichern geforscht. Wir stellen einige vielversprechende Ansätze vor und beleuchten technologische Hintergründe.

Mit diesen Akku-Technologien sollen Smartphones künftig länger durchhalten

Bei einem Akku sind mehrere Faktoren ausschlaggebend, damit er kommerziell und sinnvoll verwendet werden kann. Da wäre einerseits die Kapazität, die sich auf die Laufzeit eines mobilen Geräts und somit direkt auf den Benutzer auswirkt. Doch langfristig genauso entscheidend sind Langlebigkeit sowie Sicherheit des Energiespeichers; schließlich gibt es regelmäßig Berichte über explodierende Smartphone-Batterien. In unserer schnelllebigen Zeit gewinnt zudem die Ladegeschwindigkeit an Bedeutung. So hat etwa Qualcomm in der näheren Vergangenheit eine Quick-Charge-Funktion etabliert, wodurch das Gerät einen kurzen Boxenstopp noch effizienter zur Laufzeiterhöhung verwerten kann. In den heutigen Smartphones, Tablets und Co. wird dabei stets auf Lithium-Ionen-Akkus gesetzt.

Lithium-Ionen-Akkus erklärt

Die im vergangenen Jahrhundert gängigen Nickel-Cadmium-Batterien wurden zum Millennium durch Lithium-Ionen-Akkumulatoren abgelöst, die bei höherer Kapazität wenig Gewicht an den Tag legten. Solche Energiespeicher sind üblicherweise zylinderförmig gebaut und werden zu mehreren in Behältern zusammengefügt. Diese Bauweise sorgt bei rechteckigen Gehäusen für einen relativ hohen Platzverlust. Bei den heutigen mobilen Endgeräten kommen in der Regel stets auf Lithium basierende Akkus zum Einsatz. Allerdings werden zunehmend Lithium-Polymer-Energiespeicher verwendet. Die Anode besteht dabei anstatt aus einer flüssigen Lösung aus einem festen Polymer. Das hat den Vorteil, dass deutlich kleinere Akkumulatoren gebaut werden können, die außerdem etwas robuster sind.

Das Energiegewinnungsverfahren von auf Lithium basierenden Akkus ist dabei stets dasselbe: Ein chemischer Prozess in einer sogenannten galvanischen Zelle führt dazu, dass positive Lithium-Ionen (Li+) über die Anode durch eine elektrolytische Lösung zur Kathode fließen und dabei Energie in Form von ungebundenen Elektronen freigeben. Beim Ladevorgang wird diese Umwandlung von chemischer zu elektrischer Energie umgekehrt und die Li+-Ionen werden über die Anode wieder zwischengelagert – es handelt sich also um einen reversiblen Prozess. Die Kapazität eines Akkus wird grundsätzlich durch die Anzahl der Ionen, die die oftmals aus Graphit bestehende Anode aufnehmen kann, definiert.

lithium-ionen-akku

Ein Lithium-Akku besitzt in der Regel eine Lebensdauer zwischen 300 und 600 Ladezyklen. Dabei meint ein Ladezyklus eine Aufladung von 0 bis 100 Prozent; angebrochene Ladevorgänge werden im Grunde summiert. Den berühmt berüchtigten Memory-Effekt gibt es bei dieser Akku-Technologie übrigens nicht beziehungsweise nur in sehr geringfügigem und vernachlässigbarem Maße. Bei täglichem Laden hält ein solcher Akku also knapp zwei Jahre. Allerdings vermögen zu hohe Temperaturen den Alterungsprozess zu beschleunigen. Derzeit gewinnen die eingangs erwähnten Quick-Charge-Ladegeräte, die auf einer Technologie von Qualcomm beruhen, an Popularität, da sie in der Lage sind, den Akku des Smartphones binnen kurzer Zeit aufzuladen. Das ist jedoch nur durch einen höheren Amperefluss möglich; es werden also mehr Elektronen auf einmal in den Energiespeicher geleitet. Da die Aufnahmeeffizienz dabei nicht bei 100 Prozent liegt, steigt auch der Betrag der Abwärme, was dem Akku langfristig schadet, weswegen der tägliche Einsatz solcher Ladegeräte nicht empfehlenswert ist.

Die Akku-Alterung rührt indes von Beschädigungen der Oberflächenstruktur der Elektroden durch andauernde Bewegung von Lithium-Ionen her. Durch Kristallisierung werden infolgedessen zunehmend Li+-Teilchen daran gehindert, sich zu lösen. Als „Faraday-Effizienz“ (oder „coulombic efficiency“) bezeichnet man dabei das Verhältnis zwischen den aus der Anode herausgelösten und die beim Ladevorgang erfolgreich wiedereingegliederten Elektronen. Ein Akku muss allgemeinhin eine Effizienzrate von über 99,9 Prozent aufweisen, um überhaupt kommerziell sinnvoll zu sein.

Nachteile von Lithium-Ionen- beziehungsweise Lithium-Polymer-Akkus sind deren recht starke Empfindlichkeit gegenüber Tiefenent- sowie Überladung – bei letzterem kann es gar zur Überhitzung inklusive Brandgefahr kommen. Diesen technischen Defiziten begegnen die Hersteller mit elektronischer Schutzsteuerung, die bei Benutzung, Ent- sowie Beladung den Energiefluss gegebenenfalls kappen, bevor es zu bleibenden Schäden kommen kann.

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Akkus haben noch immer Verbesserungspotential

Das ist der heutige Stand. Lithium-Ionen-Akkus wurden seit ihrer Erfindung kontinuierlich optimiert und stoßen allmählich an ihre Optimierungs-Grenzen. Doch selbstredend wird bereits eifrig an den Energiespeichern der Zukunft geforscht. Dabei wird zuvorderst versucht, mit alternativen Chemikalien, die eingangs erwähnten Charakteristika eines Akkumulators zu verbessern. So verkündete die University of North Carolina etwa zu Beginn des vergangenen Jahres, dass man ein alternatives Lösungsmittel für Akkus gefunden habe, das weniger leicht entzündlich und somit sicherer sei.

Eine Gruppe der Nangyang Technological University in Singapur hat derweil einen Lithium-Ionen-Akku entwickelt, der sich innerhalb von zwei Minuten auf 70 Prozent voll aufladen lässt – und das bei über 10.000 Ladezyklen. Die Forscher haben dafür anstatt einer Graphit-Anode polymorphes Titan-Dioxid in Nanoröhren verwendet. Der Stoff ist vergleichsweise einfach zu gewinnen und findet vor allem in Sonnencreme Verwendung. Durch die Nanoröhren wird die Oberfläche vergrößert, wodurch Lithium-Ionen schneller aufgenommen und abgegeben werden können. Das Verfahren zur Herstellung dieses Gels wurde von den Forschern patentiert und dürfte bei Lizenznehmern schon recht bald kommerzielle Nutzung finden.

Lithium-Anoden

In Stanford wird auch an der Verbesserung von Energiespeichern geforscht. Ein Forschungsteam hat jüngst eine Arbeit veröffentlicht, in der sie ihre Entdeckung vorstellen: Mithilfe einer dünnen Schicht von Karbon-Nanokugeln ist es ihnen gelungen, Lithium als Anodenmetall zu verwenden. Das verspricht ungefähr zehnmal höhere Kapazitäten als bei heute üblichen Graphit-Anoden. Bislang konnte mit Lithium-Anoden lediglich eine Effizienzrate von 96 Prozent erreicht werden, die jedoch nach 100 Ladezyklen auf nur noch 50 Prozent abfiel. Die Gruppe in Stanford erreicht nach 150 Ladezyklen eine Effizienz von 99 Prozent.

Dem liegt zugrunde, dass Lithium-Anoden nach einigen Ladevorgängen zu oberflächlichen Verformungen neigen. Dadurch finden weniger Ionen auf der veränderten Oberfläche Platz. Ferner besteht bei Kontakt zum Elektrolyt derzeit noch Explosionsgefahr. Die Lösung für beide Probleme ist die erwähnte Karbon-Beschichtung. Noch konnte damit zwar keine Faraday-Effizienz von 99,9 Prozent erreicht werden, die Forscher glauben aber, in einigen Jahren das Konzept massentauglich machen zu können.

Akkus auf Basis von Lithium-Schwefel

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Weg von Li+ und Co.: Am Karlsruher Institut für Technologie wird ein etwas anderer Ansatz verfolgt und mit Lithium-Schwefel-Akkus experimentiert. Diese bringen unter anderem eine weitaus höhere Energiedichte – Forscher sprechen von einem Faktor von fünf bis acht – als die derzeit gängigen Varianten, weisen jedoch aktuell noch eine vergleichsweise geringe Lebensdauer auf. Allerdings kann auf weniger flüchtige Chemikalien zurückgegriffen werden, wodurch das Entzündungsrisiko drastisch reduziert werden kann. Das Konzept befindet sich bereits in der finalen Testphase und könnte schon in den kommenden Jahren auf den Markt kommen, da vom Lawrence Berkeley National Laboratory optimierte Schwefelelektroden eine ausreichende Anzahl an Ladezyklen versprechen.

Auf Seite 2 geht es weiter mit Lithium-Sauerstoff-Akkus und weiteren Technologien

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