Strom aus Sauerstoff

Strom aus Sauerstoff (c) iStockphoto.com/shuchunke
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Strom aus Sauerstoff (c) iStockphoto.com/shuchunke

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Lithium-Ionen-Akkus sind nach ersten Qualitätsproblemen zur wichtigsten Energiequelle für Notebooks, Smartphones und Tablets geworden. In absehbarer Zeit sollen aber leichtere Metall-Luft-Akkus an deren Stelle treten.

Ein Grossteil der aktuellen IT-Technologie ist für den mobilenEinsatz fern von einer stationären Energieversorgung konzipiert.Seit 2008 werden mehr Notebooks als Desktop-PCs verkauft – aktuellgehen viermal so viele Notebooks über den Ladentisch als PCs. Unddieses Jahr konnten erstmals Tablets die Verkaufszahlen vonNotebooks überflügeln, während das Produkt mit dem größtenMarktanteil auch weiterhin das Smartphone ist. Was diese Gerätegemeinsam haben, ist die Energieversorgung in Form eines Akkus. Dieentscheidenden Verkaufsargumente sind nicht mehr Rechenleistung,Speicher und Bildschirmauflösung, sondern auch die Akkulaufzeiten.Die Energiedichte und thermische Stabilität gibt inzwischen vor,wie Hersteller ihre Geräte gestalten können, und das ThemaEnergieeffizienz wurde in den letzten drei Jahren zu einemtonangebenden Aspekt in der Halbleiterentwicklung. Chipgiganten wieIntel werben bei neuen Prozessoren nicht mehr nur mit Rechen-Power,sondern hauptsächlich mit Energiesparfunktionen. Denn viel getanhat sich in der Akkutechnologie nicht: Die chemischen Grundlagenmoderner Lithium-Ionen-Zellen sind seit 30 Jahren bekannt. In dergleichen Zeit, in der die Transistorzahl von Prozessoren um denFaktor 1000 höher wurde, hat sich die Energiedichte von Akkusgerade mal verdreifacht. Die Industrie sucht weiterhin nach demSuper-Akku und der Hoffnungsträger ist dabei der Metall-Luft-Akkumulator, der eine zehnmal höhere Energiedichte alsLithium-Ionen-Akkus liefern kann.

Der Veteran: Nickel-Cadmium-Akku

Die Suche nach einem effizienten Energiespeicher ist so alt wiedas Konzept tragbarer Elektronik. Einer der ersten PDAs, dasApple-Messagepad Newton, setzte 1993 noch auf die damalshandelsüblichen Nickel-Cadmium- Akkus (NiCd). Dieser Akkutypverfügt über eine Kathode aus Nickel(III)-Oxidhydroxid und eine mitCadmium beschichtete Anode. Elektronen gewinnt der Akku über dieOxidation des Cadmiums – eine Reaktion, die sich beim Aufladenumkehrt. Die NiCd-Akkus bieten eine lange Lebenserwartung sowiegroße Robustheit und schnelle Ladezeiten. Niedrige sowie hoheTemperaturen können ihnen während der Betriebsphase wenig anhaben.Der Nachteil: Cadmium hat für Lebewesen sehr unerfreulichechemische Eigenschaften und ist stark toxisch. In Europa sind heuteBatterien und Akkumulatoren mit mehr als 0,002 GewichtsprozentCadmium verboten. Ganz kann leider nicht auf sie verzichtet werden.So eignet sich die NiCd- Technologie auf Grund ihres geringenInnenwiderstands bei hohen Belastungen sehr gut für Geräte in derIndustrie und Luftfahrt. Bei Consumer-Elektronik spielen dieAkkutypen aber keine Rolle mehr und wurden inzwischen komplettdurch Nickel-Metallhydrid ersetzt.

Nickel-Metallhydrid: Ungiftiger Kompromiss

Zur Suche nach dem perfekten Akku kam nach der Ära derNiCd-Akkus noch die Notwendigkeit hinzu, auf chemikalischeReaktionen von Elementen mit niedriger Toxizität auszuweichen.Nickel-Metallhydrid-Akkus (NiMH) wurden deshalb die Nachfolger derNiCd-Akkus und bieten zudem eine höhere Energiedichte. DerLadevorgang speichert Wasserstoffionen (Protonen) als Metallhydrid,das beim Entladen oxidiert und Protonen abgibt, die mit einerKalilauge, dem Elektrolyt, reagieren und dabei Elektronenfreisetzen. Ein enormer Vorteil ist dabei der Verzicht aufhochgiftige Chemikalien. Der Preis ist allerdings eine geringerethermische Stabilität, weniger Ladezyklen und ein starkerSelbstentladungseffekt. Nickel-Metallhydrid reagiert außerdemungnädig auf Überladen. Um die maximale Lebensdauer von etwa 500Zyklen zu erreichen, ist ein intelligentes Ladegerät vonnöten. DerAkkutyp ist heute der Quasistandard, wenn es um Batterieersatz inden Bauformen D, C, AA und AAA geht.

Lithium-Ionen-Akku: Ein explosives Debüt

Explosionen, ein Brand im Frachtraum eines Flugzeugs undqualmende Tischfeuerwerke: Der Lithium-Ionen-Akku hatte einen rauenStart und löste zwischen 2004 und 2006 eine der größtenRückrufaktionen in der IT-Geschichte aus.Lithium-Ionen-Akkumulatoren bieten gegenüber den Vorgängertypeneine um den Faktor 1,4 höhere Energiedichte und sind deshalb fürden Einsatz in Kleingeräten wie Digitalkameras und modernenNotebooks ideal, für die NiMH-Zellen zu klobig wären. Der Akkutypkann aus verschiedenen Chemikalien gefertigt werden, etwa mitLithium-Cobaltdioxid, Lithium-Titanat, Lithium-Mangan, Lithium-Eisenphosphat oder Zinn-Schwefel-Lithium. Ein Problem ist aber diegroße Empfindlichkeit bei Kurzschlüssen und Überhitzung: Wird derSeparator zwischen den Elektroden zerstört, kommt es zurexplosionsartigen Energiefreisetzung. Dell musste deshalb 4,1Millionen Notebook-Akkus zurückrufen, Apple 1,8 Millionen. Inbeiden Fällen war das Separatormaterial mit 9 μm zu dünn.Die hohe Energiedichte hat zudem ihren Preis: Der Li-Ion-Akku istteurer als seine Vorgänger. Zu schaffen macht ihm auch der Verfalldurch Oxidation. Seine Kapazität nimmt aus diesem Grund auch schonnach zwei bis drei Jahren drastisch ab – selbst wenn er nichtbenutzt wird.

Biegsame Energiequelle: Lithium-Ionen-Polymer

Eine Sonderform des Lithium-Ionen-Akkus ist Lithium-Ion-Polymer(Li-Ion-Poly). Anders als der Li-Ion-Akku verwendet dieser jedochkeine flüssigen Elektrolyten. Ein stabiles Schutzgehäuse istdeshalb auch nicht erforderlich. Der Vorteil sind leichtere Akkusund freie Bauformen, die sich perfekt an Gerätekomponentenanschmiegen können, was kompakte Tablets und Smartphones ohne einemerkliche Ausbuchtung am Gehäuse erlaubt.

Vielversprechend sind Luftkathoden statt Metall. Auf derSuche nach wiederaufladbaren Batterien mit höherer Energiedichtebietet der Lithium-Luft-Akku eine aussichtsreiche Technik. Dabeibesteht die Anode aus Lithium, während Sauerstoff die Kathodebildet. Positive geladene Ionen wandern von der Lithium- Anode zurKathode, die aus einer luftdurchlässigen Membran besteht. Durcheinen äußeren Stromkreis fließen freigesetzte Elektronen zumVerbraucher und ebenfalls zur Kathode, wo sie mit Sauerstoff undden Lithium-Ionen zu Lithiumperoxid reagieren. Diese Reaktion istauch wieder umkehrbar, macht aber in den jetzigen Experimenten,unter anderem in den Laboren von IBM noch Schwierigkeiten: DerLadeprozess dauert noch zu lang und erfordert zu viel Energie, wasden Wirkungsgrad drückt. Auch Hitzeentwicklung undLuftfeuchtigkeit, die immer eine potenzielle Gefahr für das Lithiumbedeuten, sind noch Hürden, die einer zügigen Marktreife im Wegstehen. Immerhin versprechen die ersten Prototypen die 7facheEnergiedichte. Damit ist klar, dass die Akkus höchstenSicherheitsansprüchen genügen müssen. Denn eine unkontrollierte,exotherme Reaktion wie bei den ersten Lithium-Ionen-Akkus würdediesen Akkutyp in ein Stück Sprengstoff verwandeln – keineangenehme Vorstellung bei Smartphones in der Hosentasche.

Quelle: www.pcwelt.de
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