Voller Saft in sechs Minuten

	Bild: Konventionelle Akkus

Amerikanische Forscher haben sich eine wiederaufladbare Batterie ausgedacht, die nicht nur zehn mal länger als ein Lithium-Ionen-Akku hält sondern auch in sechs Minuten wieder aufgeladen ist.  

Von Jan Oliver Löfken

Digitalkamera, Handy, Laptop: All die mobilen Helfer hängen am Stromtropf ihrer mehr oder weniger zuverlässigen Batterien. Zehnmal länger als heute verfügbare Lithium-Ionen-Akkus soll nun eine wiederaufladbare Batterie halten, die mit einer Anode aus Nanokristallen ausgestattet werden könnte. Auch die Ladezeit des Strommoduls könnte nach Aussage amerikanischer Forscher auf rasante sechs Minuten gesenkt werden. Zudem könnte die Leistungsdichte stark genug erhöht werden, um selbst Fotohandys mit lichtstarken Blitzlichtern ausstatten zu können. Über diesen möglichen Fortschritt berichtet das Wissenschaftsmagazin "New Scientist".

"Spinelle aus Lithiumtitanat steigern die Mobilität der Lithium-Ionen", heißt es bei der Entwicklerfirma Altair Nanomaterials in Reno. "Mit einer gröberen Lithiumtitanat-Anode könnten bis zu 20.000 Ladezyklen möglich werden", erklärt Forschungsdirekter Roy Graham. Der Grund liegt in der feinen Struktur der nanokleinen Kristalle, so genannter Spinelle.

Damit könne die Oberfläche der Batterieanode, derzeit oft aus Kohlenstoff aufgebaut, von drei auf rund 100 Quadratmeter pro Gramm erhöht werden. Größere Oberflächen bieten mehr Raum für die elektrochemischen Reaktionen in den Akkumulatoren und sollen die Leistungsfähigkeit signifikant erhöhen können. Das US-Unternehmen hat sich seine Nanokristalle bereits patentieren lassen (US 6689716) und hält nun nach einem Partner Ausschau, um einen besonders leistungsfähigen Lithium-Ionen-Akku zu entwickeln.

Weil leistungsfähige Akkus eine Schlüsselrolle für die mobile Elektronik einnehmen, forschen viele Hersteller an neuen Systemen bis hin zur mobilen Brennstoffzelle. "Die Lithium-Ionen-Akkus bestimmen heute den Markt. Danach kommen Lithium-Polymere und erst dann ist die Zeit reif für die Brennstoffzelle", so sieht Dejan Ilic, Vorsitzender der Geschäftsführung bei Varta Microbatteries, den heutigen Markt für "Mobilen Strom".

Tatsächlich vollzieht sich in Handy, Laptop und Taschencomputer schon heute ganz still der Wechsel von klassischen Lithium-Ionen-Batterien hin zu Lithium-Polymer-Modulen. Die Vorteile liegen auf der Hand. Mit rund 20 Prozent höherer Energiedichte und vor allem noch größerer Sicherheit gegen Auslaufen und möglichen Explosionen heben sich Lithium-Akkus mit einem Elektrolyten auf Kunststoff-Basis von den marktführenden Li-Akkus mit einem flüssigen Elektrolyt ab. In den ersten erhältlichen Lithium-Polymer-Zellen wird das Lithium-Fluor-Phosphat-Salz (LiPF6) in einen Plastik-Elektrolyten aus Polyvinylidenfluorid (PVDF)eingelagert.

Bild der neuen Nanokristalle

Besonders freuen sich die Designer von mobiler "Consumer electronics" über diese Entwicklung. Denn die Polymer-Akkus lassen sich im Prinzip in beliebigen Formen milimeterdünn optimal an die Form moderner Handys oder Laptops anpassen. Die Einschränkungen durch den blockartigen Aufbau von klassischen Lithium-Ionen-Akkus entfallen und die Batterie wird sich bald elegant an das komplette Gehäuse anschmiegen. Neben Varta setzen in Europa die Firmen Ionity im sächsischen Kamenz, Ionic in Dänemark und Philips mit ihrer "Lithylene"-Zelle auf die dünnere und flexiblere Zukunft von Lithium-Polymeren.

Ausgereizt ist die Lithium-Ionen-Technologie aber noch nicht. "Allein in den vergangenen zehn Jahren hat sich die Energiedichte von Lithium-Ionen-Akkus verdoppelt", sagt Magret Wohlfahrt-Mehrens, Batterie-Expertin beim Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW) in Ulm. Mit Energiedichten von rund 180 Milliampérestunden pro Gramm und ohne Memoryeffekt, der das Aufladen erst bei fast leerem Akku ermöglichte, haben Lithium-Ionen die alten Metallhydridsysteme aus der mobilen Elektronik de facto verdrängt. Mit großen Produktionskapazitäten dominieren Japan und Korea (Sony, Sanyo, Panasonic, LG, Samsung) den Markt. Für die kommenden Produkte ersetzte Sanyo die klassische Grafit-Anode in der wiederaufladbaren Batterie durch nanokristallines, amorphes Silizium. Damit können bei vergleichbarem Gewicht fast zehnmal mehr Lithium-Ionen aufgenommen werden. Auch die neuen Nanokristalle der US-Firma Altair sollen an diesem Punkt angreifen.

Zusätzlich haben die Entwickler weltweit eine Optimierung des Kathoden-Materials -- zumeist Lithiumkobaltoxid auf einem Aluminiumträger -- im Blick. Manganhaltige Verbindungen sollen das zurzeit relativ teure Kobalt ersetzen. Experten erwarten einen weiteren Preisverfall der Lithium-Ionen-Systeme und größere Speichersysteme beispielsweise für Elektroautos, um die bisher verwendeten schweren Blei-Akkus zu ersetzen.