Akkumulatoren 04.12.2009, 19:44 Uhr

Mobile Stromversorgung macht nur langsam Fortschritte  

In regelmäßigen Abständen verkünden Unternehmen und Institute „neue, bahnbrechende Technologien“ für Akkus im Handy, dem Laptop oder dem Elektroauto. Brennstoffzellen, neue Nanomaterialien und sogar der Einsatz von Viren soll den Berichten zufolge bald den zunehmenden Energiebedarf bei mobilen Geräten stillen. Doch bis dahin ist es noch ein langer Weg. Derzeit geht die Entwicklung nur sehr langsam voran. Es zeichnet sich ab, dass schon bald die Features bei Handys und Laptop durch die verfügbare Stromquelle begrenzt werden. VDI nachrichten, Düsseldorf, 4. 12. 09, rb

Der hochauflösende Touchscreen des iPhones war eines der stärksten Verkaufsargumente bei dessen Markteinführung. Doch er ist auch die Achillesferse aller neuen Smartphones, die dem Apple-Beispiel inzwischen folgen.

Der Grund dafür ist deren hoher Stromverbrauch. Wer mit den neuen Handys intensiv im Web surft, laufend seine E-Mails checkt oder andere grafik-intensive Applikationen benutzt, kommt mit seiner Akku-Aufladung nicht über den Tag, sondern muss mehrmals zwischendurch eine Steckdose zum Nachladen anlaufen.

Während die Leistung von Prozessoren und Displays bei mobilen Geräten weiter exponentiell ansteigt, hinken die Stromversorgungen weit hinterher. Zwar gibt es schon seit rund zehn Jahren erhebliche Forschungsanstrengungen bei den Akku-Technologien, die auch in Form von Brennstoffzellen oder Ähnlichem Schlagzeilen machen, doch die Serienreife wurde bei all den als bahnbrechend angekündigten Verfahren bislang nicht erreicht.

Das liegt nicht nur an verfahrenstechnischen Problemen, sondern häufig auch an ungelösten Fragen der Sicherheit oder des Herstellungspreises. So basieren immer noch alle Akkus auf der vor 150 Jahren von Wilhelm Sindsteden entwickelten Technologie, bei der mittels einer chemischen Substanz an entsprechenden Metallelektroden eine Spannung entsteht. Verändert haben sich bislang nur die gewählten Substanzen und Elektrodenmaterialien.

Die derzeit am häufigsten genutzten chemischen Substanzen sind immer noch Blei und verdünnte Schwefelsäure sowie Nickel-Hydrid (NiH) und Nickel-Metallhydrid (NiMH). Besonderes Interesse gilt den Kombinationen mit Lithium. Lithium-Ionen (Li-Ion), Lithium-Polymer (Li-Po), Lithium-Schwefel (LiS), Lithium-Titanat und Lithium-Eisen-Phosphor haben neue Leistungswerte erreicht.

Arbeitspferd bei den großen Akkumulatoren ist immer noch der Blei-Akku, dessen hohes Speichervolumen und die erzielbare Stromstärke allen anderen Technologien überlegen ist. Ob U-Boote, Kraftfahrzeuge, Anlagen zur unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV), Notbeleuchtung, Gabelstapler oder elektrische Rollstühle – überall erfolgt die Stromversorgung immer noch über schwere Blei-Akkus.

Für die anderen Akku-Arten gibt es ebenfalls typische Anwendungsgebiete: Lithium-(Nano)-Titanat-Akkus dienen dem Antrieb von Elektrokraftwagen mit großen Reichweiten. NiMH-Akkus finden sich vor allem in portablen elektronischen Geräten mit konstanter Stromaufnahme, beispielsweise zum Antrieb im Modellbau.

Li-Ion-Akkus sind die Spannungslieferanten für die meisten portablen elektronischen Geräte mit kleinen Abmessungen und langer Betriebszeit, also Handys, Notebooks und Digi-Cams. Bei den Handys finden sich auch Li-Po-Akkus. Neuerdings setzt sich eine neue Klasse durch. Li-Mn- und Li-Fe-Akkus dienen als Antrieb bei Profi-Elektrowerkzeugen und als Fahrzeug-Akku für extreme Reichweiten.

Wo Geld (fast) keine Rolle spielt, kommt Silber-Zink zum Einsatz. Damit werden Energiedichten (siehe Kasten) von bis zu 250 Wh/kg erreicht. Einsatzfelder sind vor allem in der Raumfahrt und der Rüstung zu finden.

Lithium-Ionen-Akkus sind die Arbeitstiere bei der Stromversorgung von Handys und Laptops

Doch die Arbeitstiere bei Handys und Laptops sind Li-Ion-Akkus. „Li-Ion hat sich bei der Stromversorgung von elektronischen Mobilgeräten durchgesetzt, daran wird sich auch in den nächsten drei bis fünf Jahren wenig ändern“, meint Chris Turner, Technologie-Chef bei Nexergy, einem Hersteller von Batterie-Packs und -Testgeräten.

Nicht nur bei den mobilen Geräten haben sich die Li-Ion-Akkus durchgesetzt. Inzwischen werden diese Batterien auch verstärkt im Server- und Datenspeicherbereich verbaut und entlasten damit die großen USV-Anlagen bei den Rechenzentren erheblich. Die Idee für eine direkte Batterieversorgung in jedem einzelnen Server stammt übrigens von Google, die diesen Weg schon vor zehn Jahren bei der Entwicklung ihrer eigenen Server einschlugen.

Erste Li-Ion-Akkus wurden 1991 von Sony auf den Markt gebracht. Seitdem hat sich ihre Leistung nahezu verdoppelt. Diese Verbesserung wurde vor allem durch dünnere Separatoren erreicht. Die Kehrseite davon waren gelegentliche Kurzschlüsse, was zu explosionsartigen Bränden und entsprechenden Rückrufaktionen von Dell, Apple und anderen geführt hat. Nokia machte Schlagzeilen mit explodierenden Li-Ionen-Akkus, die laut Handy-Riese keine Originalware waren.

Neben diesen Sicherheitsproblemen haben Li-Ion-Akkus auch den Nachteil einer sehr begrenzten Lebensdauer. Schon nach ein paar Monaten geht die verfügbare Leistung spürbar zurück.

Dieses Problem könnte jedoch bald der Vergangenheit angehören. Der MIT-Start-up Boston-Power hat ein neues Li-Ion-Verfahren entwickelt, das die Lade-Spannung unabhängig von der Zahl der Aufladungen konstant hält. „Die Verbesserung besteht darin, dass unsere Batterien auch noch nach vier oder mehr Jahren die gleiche Kapazität abgeben können wie beim ersten Aufladen“, sagt deren Chefin Christina Lampe-Onnerud.

Bei diesen neuen Li-Ion-Batterien hat das Unternehmen eine neue Kathode aus Magnesium-Kobalt entwickelt sowie ein neues Elektrolyt. Auch das Aluminiumgehäuse soll Teil des Gesamtprozesses sein. Über die genauen Zusammensetzungen der Kathode und des Elektrolyts schweigt man sich bei Boston-Power aus – die Technologie basiere auf 61 internationalen Patentanträgen. HP ist der erste große Anbieter, der diese Batterien in einem Teil seiner Laptops einsetzt. HARALD WEISS

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