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Lithium-Akkus: Durchbruch verzweifelt gesucht

Dreimal so viel Strom im Akku, wer hätte das nicht gerne! Durchbrüche in der Akkutechnik werden immer wieder angekündigt. Aber wo bleibt der Superakku?

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Moderne Technik ist von Akkus abhängig, aber wo bleibt der große Durchbruch?
Moderne Technik ist von Akkus abhängig, aber wo bleibt der große Durchbruch? (Bild: Martin Wolf/Golem.de)

Wer einen Akku mit großer Kapazität haben will, kommt um Lithium-Ionen-Akkus nicht herum. Keine andere Technologie bietet derzeit so viel Kapazität. In den vergangenen zwei Jahrzehnten gab es erhebliche Fortschritte, obwohl sich am grundlegenden Prinzip des Lithium-Akkus nicht viel geändert hat: Die Kapazität von Lithium-Zellen in der Standardgröße 18650 wuchs von knapp 1.000 Milliamperestunden im Jahr 1992 auf derzeit etwa 3.500 Milliamperestunden. Aber wo bleibt der große Durchbruch in der Akkutechnik?

Angekündigt wurde er schon oft, in der Praxis gibt es jedoch statt revolutionärer Vervielfachungen der Speicherkapazität bisher fast nur Verbesserungen im Detail. Mit besseren Elektrolyten, Membranen und Beschichtungen zum Schutz der Elektroden kann das Potenzial der Elektroden immer besser ausgenutzt werden. In den Labors wird längst an völlig neuen Ansätzen gearbeitet, die tatsächlich ein Vielfaches der Kapazität bringen könnten - doch der Weg aus den Labors in die Läden ist lang.

Sind Lithium-Akkus gut genug?

Der Lithium-Ionen-Akku war selbst einmal der große Durchbruch in der Akkutechnik und die größte Erfolgsgeschichte der vergangenen Jahrzehnte. Er wurde von einer Forschergruppe um John B. Goodenough und Koichi Mizushima erfunden. Ihnen gelang es 1980 erstmals,, einen funktionierenden Lithium-Akku zu bauen, nachdem das Konzept schon in den 70er Jahren untersucht worden war. In der Theorie sollten die Lithium-Ionen-Akkus Kapazitäten von mehr als einer Kilowattstunde pro Kilogramm erreichen können.

In der Praxis erreichen sie zwar nur einen Bruchteil der theoretischen Werte, aber sie sind schon deutlich besser als Nickel-Cadmium und Nickel-Metallhydrid-Akkus. In der Theorie könnten Lithium-Ionen-Akkus noch viel besser werden. Und jedes Mal, wenn eine Forschergruppe glaubt, dieses Potenzial ausschöpfen zu können, keimt die Hoffnung auf den großen Durchbruch und einen Akku mit einem Vielfachen der heutigen Kapazitäten. Dass der nicht so leicht zu erreichen ist, liegt in der Funktionsweise des Akkus begründet.

Lithium-Anoden - das unerreichte Nonplusultra

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In einem Lithium-Ionen-Akku werden Lithium-Ionen beim Laden durch den Elektrolyten von der Kathode zur Anode gebracht und dort angelagert. Beim Entladen gibt die Anode die Ionen wieder frei und sie lagern sich wieder an der Kathode an. Ein gutes Material für die Kathode ist Lithium-Kobalt-Oxid. Schon bei dem Akku von 1980 bestand die Kathode aus diesem Material, das auch heute noch weit verbreitet ist. Aber die Anode bereitete Probleme. Sie bestand zunächst aus reinem Lithium-Metall.

Der Akku mit einer Anode aus Lithium-Metall hat eine theoretische Kapazität von 1,1 Kilowattstunden pro Kilogramm. Aber die Lithium-Anode funktionierte nicht dauerhaft. Beim Laden des Akkus lagern sich Lithium-Ionen an der Anode ab und bilden Metall. Leider tun sie das nicht gleichmäßig, sondern bilden Dendriten, verästelte Fortsätze aus Lithium, was zu großen Problemen führt. Die praktische Anwendbarkeit so einer Anode bezweifelten die Forscher deshalb schon in ihrer ersten Veröffentlichung im Jahr 1980.

Durch die Dendriten wird der Lade- und Entladeprozess ineffizient. Ein Teil der Energie geht verloren, was an sich schon schlecht ist. Das unkontrollierte Wachsen und Schrumpfen des Metalls zerstört zudem im Lauf der Zeit die Anode und kann zu Kurzschlüssen im Akku führen. Auch nach über 40 Jahren Forschung ist das Problem noch nicht vollständig gelöst, auch wenn die aktuelle Forschungsarbeit bedeutende Fortschritte zeigt. Der Ausweg beim modernen Lithium-Akku war eine Anode, die das Lithium im Inneren speichert und das Lithium nicht als Metall ablagert.

Graphitanoden: seit 26 Jahren ein Kompromiss 
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Epaminaidos 30. Mär 2017

Diese Gleichzeitigkeit gibt es einfach nicht. Wenn es sie gäbe, müsste es Uhrzeiten...

Elgareth 28. Mär 2017

HALLELUJA!

kaymvoit 27. Mär 2017

Ich bin mir nicht sicher, ob ich in Lithiumtechnik eine höhere Energiedichte will. Die...

GPUPower 25. Mär 2017

Ich würde mein Handy schon gerne ca. 7 Tage benutzen ohne es aufladen zu müssen. Ich...

Koto 19. Mär 2017

Na ja aber es ist schon so. Wenn dann die meisten diese Technologie gar nicht mehr...


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