Wie viel Energie passt in einen Akku?
„Auf diese Frage gibt es keine allgemeingültige Antwort, es hängt von den verwendeten Materialien ab“, so Palacín. „Aber man kann nicht unendlich viel Energie in Akkus speichern – es gibt physikalische Grenzen.“ Palacín erklärt, dass es keine etablierten Standards dazu gibt, wie man die theoretische maximale Energiedichte eines Akkus abschätzen kann, da dies von zahlreichen konkurrierenden Faktoren abhängt. Die offensichtlichsten Einschränkungen sind chemischer Natur. Akkus bestehen meist aus zwei verschiedenartigen Werkstoffen, die über ein Elektrolyt miteinander interagieren können. Wenn Elektronen von einem Ende des Stromkreises zum anderen fließen, wandern Ionen in entgegengesetzter Richtung durch den Elektrolyt, sodass der ganze Vorgang aufrechterhalten werden kann. In den 1990ern wurden viele elektronische Geräte von sperrigen Nickel-Cadmium-Akkus betrieben. Das giftige Cadmium wurde dann durch Legierungen ersetzt, was zu Nickel-Metallhybrid-Akkus führte, die mit einer höheren Energiedichte aufwarten konnten. Heutzutage kommt in den Akkus von Smartphones und anderen tragbaren Geräten normalerweise Lithium zum Einsatz, das bei demselben Volumen noch mehr Energie speichern kann. Wie viel Energie in einem Akku gespeichert werden kann, hängt auch vom physischen Aufbau des Akkus selbst ab, der vom jeweiligen Anwendungsbereich abhängt. Apropos Anwendungsbereich – was hindert uns eigentlich daran, einen Smartphone-Akku zu entwickeln, der eine Woche lang hält? „Bei den Mobiltelefonen der ersten Generation war das möglich, da sie nur sehr kleine Schwarz-Weiß-Bildschirme hatten“, erinnert sich Palacín. Bei modernen Smartphones bestehen diesbezüglich jedoch zahlreiche Hürden, einschließlich ihrer energiehungrigen Farbbildschirme, schlanken Akkufächer und der Notwendigkeit, ununterbrochen mit dem Internet verbunden zu sein. Daher halten die Akkus moderner Mobiltelefone im Vergleich zu ihren Vorgängern nur einen Bruchteil der Zeit durch, obwohl sie größer und technologisch ausgereifter sind. „Es ist ein ständiges Geben und Nehmen. Die Leistung von Lithium-Ionen-Akkumulatoren hat sich zwar verbessert, aber gleichzeitig verbrauchen die Geräte immer mehr Energie“, erklärt Palacín.
Zukünftige Leistung
Palacín, Forschungsprofessorin am Institut für Materialwissenschaften in Barcelona, Spanien, arbeitet an einer neuen Generation von Batterien auf Grundlage von Kalzium. „Ein Problem mit dem Metall Lithium besteht darin, dass sich bei wiederholten Ladevorgängen Dendriten, kleine Vorwölbungen, an der negativen Elektrode bilden. Das kann auf lange Sicht zu einem Kurzschluss und der Explosion des Akkus führen.“ Daher verwenden die meisten Lithium-Akkus eine Grafit-Elektrode, was jedoch zu einer geringeren Energiedichte führt. Dieses Problem könnte gelöst werden, indem man Lithium durch Kalzium ersetzt, was ebenfalls die Energiedichte erhöht, da Metallelektroden zum Einsatz kommen könnten. Jedes Kalzium-Ion, das durch den Akku wandert, transportiert außerdem zwei Elektronen; bei Lithium ist es nur eins. Zu guter Letzt greifen Kalzium-Akkus auch auf ein Metall zurück, das günstiger und wesentlich häufiger als Lithium ist. Gibt es irgendeinen Stoff, der Lithium bei der tragbaren Energieversorgung Konkurrenz machen kann? Natrium hat ähnliche chemische Eigenschaften wie Lithium, sodass das Know-how über Lithium-Ionen-Akkus darauf übertragen werden könnte, und ist ebenfalls sehr häufig. „Aber es gibt kein Metall, das so gut wie Lithium ist“, fügt Palacín hinzu. „Ein Fluor-Lithium-Akku wäre vorstellbar, da Fluor sehr reaktiv ist. Wir könnten Spekulationen darüber anstellen, wie es um die Energiekapazität eines solchen Akkus bestellt wäre, aber Fluor ist ein Gas und ätzend … wie genau soll das daher funktionieren?“ Es wäre wohl eine technologische Revolution vonnöten, um noch mehr Joule pro Kilogramm Akku zu erreichen. Denkbar wäre dies durch einen Übergang zu sogenannten „Festkörperakkumulatoren“, die nicht auf einen flüssigen Elektrolyten angewiesen sind, und in denen das Metall Lithium gegebenenfalls als Elektrode eingesetzt werden könnte. Das ist jedoch leichter gesagt als getan, bislang gibt es lediglich Prototypen einer solchen Technologie. „Wie Sie sich vielleicht denken können, ist es wesentlich schwieriger, Ionen durch einen Feststoff zu bewegen als durch eine Flüssigkeit“, erklärt Palacín. Dennoch werden Festkörperakkumulatoren zahlreiche Vorteile mit sich bringen, wie wesentlich höhere Energiedichten und eine weitaus geringere Wahrscheinlichkeit, in Flammen aufzugehen. Vielleicht würde Ihr Smartphone mit ihnen auch den ganzen Tag lang durchhalten. Klicken Sie hier, um mehr über die Forschung von M. Rosa Palacín zu erfahren: Eine bessere Batterie herstellen
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