E-Mobilität Wie weiter mit den Akkus für Mobilsysteme?

Redakteur: Andreas Leu

Für mobile Systeme aller Art sind die bekannten Lithium-Ionen-Akkus zurzeit vielerorts immer noch erste Wahl.

In diesem Tesla- Unterboden sorgen rund 8000 Lithium-Ionen-Batterien für Hochleistungsdaten.
In diesem Tesla- Unterboden sorgen rund 8000 Lithium-Ionen-Batterien für Hochleistungsdaten.
(Bild: Accutron AG)

Lithium-Ionen-Akkus verfügen im Vergleich zu anderen Batterietypen über eine hohe spezifische Energie, benötigen jedoch zur Sicherheit (Brandgefahr, rigide Transportvorschriften usw.) in den meisten Anwendungen ausgeklügelte elektronische Schutzschaltungen, da sie sowohl auf Tiefenladung als auch Überladung empfindlich reagieren. Zurzeit wird an Alternativen geforscht, aber es wird noch einige Zeit dauern, bis diese in der Praxis auch wirklich eingesetzt werden können. Hier einige Beispiele von neuen Akkutypen, die in der Pipeline sind.

Tests mit Lithium-Schwefel-Akkus

Mitte 2017 erschien vom Paul Scherrer Institut (PSI) ein hochinteressanter Bericht über die Materialforschung am PSI im Bereich Quarzpulver für den Akku der Zukunft. Theoretisch könnten Lithium-Schwefel-Akkus mehr Energie liefern als die heute sehr oft eingesetzten Lithium-Ionen-Akkus. Der Nachteil ist jedoch, dass sie bereits nach wenigen Ladezyklen merklich an Kapazität verlieren. Die Forscher gingen dieser Tatsache nach und stellten fest, dass sich dieser schnelle Kapazitätsverlust durch die Beimengung von Quarzpulver in die flüssige Komponente des Akkus verlangsamt. Der Lithium-Schwefel-Akku gilt demzufolge als vielversprechender Lösungsansatz für zukünftige Energiespeicher. Mit diesem Zusatz leistet ein Lithium-Schwefel-Akku 25 bis 30 Prozent mehr Energie. Stand Frühjahr 2018: Nach Rückfrage des Autors dieses Berichts beim Forschungsteam des PSI teilt dieses mit, dass man am PSI weitere Tests mit anderen Oxiden vorgenommen hat und zu ähnlichen Testresultaten wie mit dem Quarzpulver gekommen sei. Originalaussage: «We have made additional tests with other oxides and the conclusions are similar to the one reported in the press release. Now we are trying to understand better what is the reaction mechanism at the Li counter electrode.»

Feststoff-Lithium-Ionen-Batterien mit Keramik

Andere Forschungszentren befassen sich mit der Weiterentwicklung durch Einsatz des Feststoffs Keramik anstelle des flüssigen Elektrolyts. Im Elektrolyt hat es bekanntlich oft giftige und brennbare Flüssigkeiten. Im Labor konnten die innovativen Keramik-Akkus bereits rund 400-mal entladen und wieder aufgeladen werden. Die Keramik-Lithium-Ionen-Batterie gilt als Vorläuferin einer neuen Generation von Lithium-Ionen-Akkus, gelten sie doch als sichere Batterien der Zukunft. Neben einer höheren Energiedichte hat sie den Vorteil, nicht auszulaufen, nicht zu überhitzen und Abbrand und Giftigkeit zu vermeiden. Bei den herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus existieren deshalb rigorose Transportvorschriften, und man konnte schon öfter lesen, dass Geräte in Brand gerieten und riesigen Schaden anrichteten. Platzraubende Kühl- und Schutzvorrichtungen entfallen demzufolge.

In Vorbereitung: Glas-Akkus mit grossen Vorteilen

Ein weiteres Applikationsbeispiel ist der Einsatz von Glas anstelle des flüssigen Elektrolyts. Forscher stellten fest, dass Akkus mit dem Feststoff Glas dreimal so leistungsfähig sind wie herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien. Glas erlaubt leistungsfähigere Kathoden und Anoden aus Alkalimetallen. Dies reduziert den Aufwand für die Herstellung der Zellen und erhöht deren Energiedichte markant. Ausserdem können die Kosten erheblich sinken. Ein Glaselektrolyt erlaubt die Substitution von Lithium durch kostengünstiges Natrium, welches beispielsweise in Meerwasser unbegrenzt zur Verfügung steht. Der Feststoff-Akku soll zudem häufiger geladen werden können, ohne an Leistung einzubüssen. Die Forscher haben bis anhin bis zu 1200 Ladezyklen getestet und keine wesentlichen Leistungseinbussen festgestellt. Auch die ­Ladezeit beträgt Minuten – statt Stunden! Dies wäre hervorragend für die vieldiskutierten E-Mobile der Zukunft. Im Tesla werden zurzeit Tausende von herkömmlichen Li-Ionen-Batterien eingesetzt, die mühsam über einen langen Zeitraum geladen werden müssen. Schnelle Supercharger für die Teslas sind bekanntlich nicht allzu zahlreich. Festglaselektrolyte ihrerseits können zudem auch bei grosser Kälte (bis –20 Grad Celsius) arbeiten. Viele Vorteile. Nachteil: Diese Glas-Akkus sowie weitere Technologien existieren zurzeit nur im Labor. Hoffentlich geht es mit dieser sehr leistungsfähigen Technologie schneller voran, als wir denken. Gute Gründe dafür gibt es ja jetzt mehr als genug. Wir werden sehen, welche dieser Technologien zuerst auf den Markt kommt. Da tut sich erfreulicherweise einiges. Alle reden bei den Autos von der Elektromobilität; hier könnte bei der bisher mühseligen Ladetechnik in Zukunft ein richtiger «Game-Changer» in den Vordergrund treten.

accutron.ch

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