Lithium-Ionen-Akkus u.a.m. Zukunft tragbarer Energiequellen

Lithium-Ionen-Technologie für Konsumelektronik-Applikationen.
Lithium-Ionen-Technologie für Konsumelektronik-Applikationen.

Mit der Lithium-Ionen-Technologie lassen sich am besten Stromquellen für Konsumelektronik-Applikationen herstellen. Diese Stromquellen sind jedoch nicht für jedes Anforderungsprofil geeignet, und so werden neue Lösungen, z.B. Akku-Superkondensator-Kombinationen für Kfz-Applikationen, entwickelt.

Smartphones verkörpern das Beste, was es an tragbarem elektronischem Design am Markt gibt. Diese internetfähigen Geräte weisen Rechenleistungen und Speicherkapazitäten auf, die mit den Spezifikationen jener Desktop-PCs und Macs gleichziehen, die vor wenigen Jahren noch Stand der Dinge waren. Ein Apple iPhone 6S zum Beispiel ist mit einem Dual-Core-Prozessor mit 1,8 GHz Taktfrequenz sowie 2 GB RAM und maximal 128 GB Flash-Speicher ausgestattet.

Doch heutige Smartphones haben einen Schwachpunkt: Ihre Energiequelle kann mit der rasant steigenden Rechenleistung, die fünf Jahrzehnte lang dem exponenziellen Trend des Mooreschen Gesetzes folgte, nur teilweise Schritt halten. Die Lithium-Ionen-Batterien haben nämlich ihre Energiedichte (Wh/kg) im besten Fall um sieben Prozent pro Jahr – mit Mühe – steigern können.

Das Original-iPhone zum Beispiel enthielt, ausgehend von einem 620-MHz-32-bit-Prozessor und 128 MB RAM sowie 16 GB Flash-Speicher, einen 5,18-Wh-Akku und das iPhone-6S-Pendant ist heute mit einem 6,55-Wh-Akku bestückt. Verglichen mit dem ersten Modell stellt die Elektronik des neuesten Apple-Smartphones allerdings einen dramatischen Sprung hinsichtlich der Performance dar. Die Energiedichte der Akkus in beiden Geräten indes, die in etwa das gleiche Gewicht und Volumen aufweisen, hat sich in den acht Jahren zwischen den beiden Generationen lediglich um 26 Prozent verbessert.

Laut den Spezifikationen von Apple hat der Li-Ionen-Akku des iPhone 6S eine Kapazität von 1715 mAh und die Laufzeit beträgt elf Stunden bei Internetnutzung oder HD-Videowiedergabe. Das ist zwar eine beeindruckende Leistung, aber nicht ausreichend. Reisende werden sich auch weiterhin genötigt sehen, ihre Geräte neu aufzuladen, sobald sie zum Beispiel am Flughafen-Terminal eine Netzsteckdose entdecken.

Die Entwicklung der Li-Ionen-Akkus

Es hat über 40 Jahre intensiver Bemühungen gedauert, die Li-Ionen-Technologie so zu entwickeln, dass sie tragbare Gerätegenerationen zuverlässig antreibt. Heutzutage bildet häufig das relativ reaktionsträge Lithium-Cobaltoxid (LiCoO2) die Basis für eine Lithium-Ionen-Energiequelle, die reine Lithium-Metallelektroden der frühen Generationen ersetzen kann. Auf diese Weise sind die Batterien viel sicherer. In modernen Batterien wird LiCoO2 in der positiven Elektrode eingesetzt, in der negativen kommt Grafit (Kohlenstoff) zum Einsatz.

Akkumulatoren mit Lithium sind deshalb so erfolgreich, weil sie Lithium mit ihrer hohen Ladekapazität mit sehr niedrigem Gewicht kombinieren. So kann es mehr Energie pro Kilogramm speichern als jedes andere Metall (ca. 43,1 MJ/kg im Vergleich zu 2,9 MJ/kg bei Blei). Beim Aufladen wandern die Lithium-Ionen vom LiCoO2 zum Kohlenstoff. Ist der Akku in Betrieb, so wandern die Ionen zurück. Die dadurch freigesetzten Elektronen fließen in die entgegengesetzte Richtung und erzeugen eine elektrische Ladung (Bild 1).

Der größte Schwachpunkt der Li-Ionen-Akkus ist ihre Empfindlichkeit. Jedes Mal, wenn die Ionen verschoben werden, reagieren manche mit den Elektroden und bleiben für immer im Material hängen. Früher oder später ist der Vorrat an freien Ionen aufgebraucht und der Akku fällt aus. Die Lade- und Entladezyklen verursachen eine geringe Volumenausdehnung der Elektroden. Das belastet ihre Struktur und verursacht mikroskopische Schäden, wodurch ihre Fähigkeit, Ionen zu speichern, reduziert wird. Folglich ist das Wiederaufladen von Li-Ionen-Akkus nur begrenzt möglich. Zudem kann Überladung so viele Ionen in die Elektrode zwingen, dass u.U. eine Zersetzung des Materials erfolgt.

In frühen Versionen der Li-Ionen-Akkus kam ein flüssiger Elektrolyt zum Einsatz, um die Elektroden zu trennen. Spätere Versionen verwendeten einen porösen, in Elektrolyt-Gel getränkten Separator. Die dadurch mögliche Sandwich-Bauweise der Akkus führte zu jenen dünnen Designs, welche in heutigen Mobiltelefonen üblich sind. Weiterentwicklungen brachten Lithium-Polymer-Zellen (Li-Pol) hervor, die ein festes Polymer als Separator verwenden. Ein Nachteil der Li-Pol-Akkus ist, dass sich die Ionen langsamer durch das feste Polymer bewegen als durch den flüssigen Elek­trolyt. Das Aufladen dauert also länger. Verfügbar sind Li-Ionen-Akkus von Panasonic und vielen anderen Herstellern, die ihre Produktreihen über Distributoren wie Mouser Electronics vermarkten.

Einen besseren Akku bauen

Es werden immer noch Millionen an Forschungsgeldern für die Optimierung von Li-Ionen-Akkus ausgegeben. Wissenschaftler konzentrieren ihre Bemühungen darauf, Merkmale wie Energiedichte, Selbstentladerate, Spitzenbedarf, Pulsverhalten, Ladezeiten sowie Tiefentladungs-Verträglichkeit zu steigern und die Gerätesicherheit zu verbessern.

Die Entwicklungsschwerpunkte fokussieren sich im Wesentlichen auf zwei Bereiche: zum einen auf Alternativen für positive und negative Elektroden sowie Elektrolyte, welche das Hin- und Herbewegen und den Durchgang durch die Elektrolyte erleichtern. Zum anderen geht es um die Einhaltung von Sicherheitsanforderungen, die gerade auch mit der Lithium-Ionen-Technik erfüllt werden müssen.

Zu den kurz vor der Vermarktung stehenden Materialien für positive Elektroden gehören Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxide (LiNixMnyCozO2), die eine etwa um 20 % höhere Energiedichte aufweisen als LiCoO2, sowie Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxide (LiNixCoyAlzO2), deren Energiedichtewerte um ca. 35 % über denen von LiCoO2 liegen. Zu den in der Experimentierphase verwendeten Materialien für negative Elektroden wiederum gehören zum Beispiel Lithiumtitanat (Li4Ti5O12), das eine relativ niedrige Energiedichte aufweist, dafür aber viel mehr Ladezyklen ermöglicht. Weitere Alternativen sind Hartkohlenstoff (höhere Speicherkapazität) sowie Zinn/Cobalt (Energiedichte) und Silizium/Kohlenstoff oder reines Silizium, womit sich die Energiedichte noch verbessern lässt.

Es gibt auch verschiedene interessante Initiativen zur Verbesserung der Ionen-Mobilität: Beispielsweise werden an der University of Illinois at Chicago (UIC) die dünnen, fast zweidimensionalen positiven und negativen Grafit-Elektroden eines üblichen Li-Ionen-Akkus durch dreidimensionale, poröse Nickelstrukturen ersetzt. Diese Strukturen werden ferner mit LiMnO2 und Zinn-Nickel (NiSn) beschichtet, um so positive bzw. negative Elektroden zu generieren. Elektroden mit dieser Zusammensetzung können deutlich mehr Lithium-Ionen aufnehmen als herkömmliche Lösungen, und sie verhelfen den Ionen auch zu mehr Bewegungsfreiheit. Die Verantwortlichen dieses Projektes sind zuversichtlich, dass man mit dieser neuen Technologie Li-Ionen-Akkus um den Faktor 30 kompakter als herkömmliche Akkus gestalten und gleichzeitig die Ladezyklen um den Faktor 1000 verkürzen kann.

Die UIC leistet zudem auch Pionierarbeit beim Ersetzen der Lithium-Ionen mit Magnesium-Ionen. Auf diese Weise will man die Energiedichte – im Vergleich zu Li-Ionen-Zellen – ebenfalls steigern. Alternativ dazu könnte diese Technologie auch zur Steigerung der Ladezyklenfestigkeit genutzt werden, da bei Verwendung von Magnesium-Ionen deutlich weniger dieser Ionen transferiert werden müssen, um den gewünschten Ladekapazitätswert zu erreichen. Geeignete Materialien zu finden, mit denen sich die Vorteile der höheren Magnesium-Ionen-Ladung auch technologisch nutzen ließen, düfte aber eine jener Herausforderungen sein, die noch zu bewältigen sind.