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

Jenseits des Akkus

Obwohl elektrochemische Energie jahrzehntelang die Basis für tragbare Energieversorgung stellte und es so aussieht, als würde es über Jahre hinaus so bleiben, ist sie dafür nicht die einzige Option. Andere vielversprechende Energiequellen für tragbare Leistungsspeicher sind beispielsweise Superkondensatoren und Brennstoffzellen. Ein Superkondensator (auch Ultrakondensator genannt) ist ein elektrochemischer Kondensator, der den Graben zwischen Elektrolytkondensatoren und wieder aufladbaren Batterien überbrücken soll. Superkondensatoren sind keine Batterien per se. Durch die Nutzung spezieller Elektroden und Elektrolyte überschreiten sie jedoch die Grenzen in Richtung Batterietechnologie. Zu den erfolgreichsten gehört der Doppelschichtkondensator (DLC). Er ist kohlenstoffhaltig und hat ein organisches Elektrolyt, das sich leicht herstellen lässt. Die Superkondensatoren aus Muratas SMT/DMF-Baureihe sind ein gutes Beispiel für DLCs.

Superkondensatoren bieten viel größere Energiespeicher und Leistungsdichte als vorhandene, gängige Kondensatortechnologien. Dadurch sind sie auch gut für Applikationen mit Burst- oder Impulslast wie LED-Blitz, Leistungsverstärker oder bestimmte Audio-Schaltungen geeignet.

Auch wenn das sehr vielversprechend klingt, haben Superkondensatoren gegenüber Batterien zwei große Nachteile: Ihr zulässiger Spannungsbereich liegt zwischen 2,5 und 2,7 V, während Li-Ionen-Akkus mit 3,5 bis 3,7 V aufwarten. Für höhere Spannungen werden mehrere Superkondensatoren hintereinandergeschaltet, setzen dabei allerdings einen sorgfältigen Spannungsausgleich voraus. Außerdem lässt die Spannung des Superkondensators im linearen Maßstab von voller Ladung zu Null nach. Das hat zur Folge, dass Energie im Gerät verbleibt, sobald die Spannung unter einen nutzbaren Schwellwert fällt. Der zweite Nachteil ist die geringe Energiedichte des Superkondensators: Verglichen mit den 200 Wh/kg der Li-Ionen-Akkus haben Superkondensatoren Probleme, einen Wert von 10 Wh/kg zu übersteigen. Das bedeutet, dass eine Reihe von Superkondensatoren viel mehr Platz einnimmt als ein adäquater Li-Ionen-Akku.

Ein entscheidender Vorteil von Superkondensatoren ist die Ladegeschwindigkeit. Theoretisch kann ein mit diesen Bauteilen bestücktes Gerät innerhalb weniger Sekunden aufgeladen werden; aus Sicherheitsgründen wird der dafür erforderliche Ladestrom im Ladegerät aber gezielt begrenzt. Ein Superkondensator kann auf diese Weise innerhalb einiger Minuten aufgeladen werden und benötigt dafür nicht – wie bei Akkus – mehrere Stunden.

Wegen ihres Potenzials ist – vor allem für elektrische Fahrzeugapplikationen, bei denen ein schneller Ladevorgang sehr praktisch wäre – die Forschung zur Verbesserung der Energiedichte von Superkondensatoren dennoch in vollem Gange. Die bislang erreichbare Energiedichte konnte zum Beispiel durch Forschungsprojekte der University of California in Los Angeles (UCLA) erheblich verbessert werden. Der Superkondensator von Professor Richard Kaner und Dr. Maher El-Kady lädt und entlädt sehr schnell und erreicht eine Lebenszeit von über 10.000 Ladezyklen. Nach Aussagen der Wissenschaftler speichert ihr Kondensatormodul sechsmal mehr Energie pro Stückgewicht als übliche Superkondensatoren. Das wiederum ermöglicht sehr dünne Energiespeicher von nur noch 0,01 mm Dicke.

Das Geheimnis der Leistungsfähigkeit eines Superkondensators sind seine Magnesium-Oxid-Elektroden (MnO2). Verbunden mit einem speziellen, dreidimensionalen, laserstrukturierten Grafit, das hinsichtlich Leitfähigkeit, Porosität und großer Oberfläche optimiert wurde, ermöglichen sie eine viel höhere Energiespeicherung je Volumeneinheit (Bild 5). Die Elektroden sind 15 µm dick, während die Elektroden eines Superkondensators bislang 100 bis 200 µm dafür benötigen. Und sie verhelfen dem Superkondensator zu einer bis zu sechsmal höheren Energiedichte als bei herkömmlichen Modulen. Durch das dünne Design müssen Superkondensatoren zudem nicht mehr gestapelt werden, um genug Energiedichte zu erhalten.

Brenstoffzellen als Energielieferanten

Brennstoffzellen gehören wohl zu den spezielleren Bestrebungen, um Batterien als tragbare Stromquellen ablösen zu können. Erfunden im Jahr 1838 und durch die Krise der Apollo 13 in die Öffentlichkeit geraten, sind Brennstoffzellen schon lange als Umwandlungsverfahren für die chemische Energie von Kraftstoff in Elektrizität in Gebrauch. Sie werden als gute Option für elektrische Fahrzeuge angesehen, während man für deren Verwendung bei mobilen Elektronikprodukten einen völlig anderen Ansatz favorisiert.

Direkt-Methanol-Brennstoffzellen (DMFC) werden als eine der vielversprechendsten tragbaren Energiequellen für Verbraucherelektronik erachtet. Die Zellen sind nicht besonders ergiebig, der Methanol-Brennstoff hat aber eine hohe Energiedichte, die in etwa dem 15-Fachen eines Li-Ionen-Akkus entspricht und relativ stabil ist. Erste mit diesem Energielieferanten bestückte Geräte jedenfalls können bis zu 100 h Strom liefern, bevor sie wieder betankt werden müssen.

DMFC funktioniert durch die Oxidation von Methanol auf einer Katalysatorschicht, wodurch Kohlenoxid entsteht. Die aus dieser Reaktion hervorgehenden Wasserstoff-Ionen werden über die Ionenaustauschmembran zur anderen Elektrode transportiert, wo sie durch eine Reaktion mit Sauerstoff Wasser produzieren. Elektronen wandern durch den Außenkreislauf, der das Gerät mit Strom versorgt (Bild 6).

Eine Alternative mit deutlich höherer Energiedichte als bei existierenden Technologien ist allerdings erforderlich, um die Energieanforderungen künftiger Konsumelektronik-Applikationen zu erfüllen. Zum einen muss man Methanol-Crossover regulieren, da durch dieses Phänomen bis zur Hälfte des Brennstoffes verloren geht. Ferner muss die Bauweise vereinfacht, die Energie- und Leistungsdichte erhöht, die Zuverlässigkeit verbessert und die Kosten reduziert werden, um DMFC kommerziell attraktiver als bisher nutzen zu können. Entsprechende F&E-Aktivitäten konzentrieren sich derzeit auf die Erforschung von Elektroden mit höherer Aktivität und Selektivität, auf die Reduzierung von Methanol-Crossover und die Verringerung des Systemvolumens und -gewichts. Flexible Brennstoff-Fähigkeiten (z.B. mit Ethanol und Butan) werden ebenfalls erforscht.

 

Literatur

[1] Viet Long, N.; Minh Thi, C.; Nogami, M.; Ohtaki, M.: Novel Pt and Pd Based Core-Shell Catalysts with Critical New Issues of Heat Treatment, Stability and Durability for Proton Exchange Membrane Fuel Cells and Direct Methanol Fuel Cells; InTech 2012.

www.mouser.de

 

Der Autor

Steven Keeping
war nach Abschluss seines Studiums zum Bachelor of Engineering an der Brighton University (Großbritannien) sieben Jahre in der Elektro-Sparte von Eurotherm und BOC tätig. Danach hatte er 13 Jahre lang verschiedene Positionen beim Magazin Electronic Production inne. Steven Keeping lebt in Sydney und schreibt seit 2006 als freiberuflicher Journalist hauptsächlich über Elektronikthemen. Er hat diesen Beitrag im Auftrag von Mouser verfasst.