Optimierte Vielfalt
Die Forschung an besseren Batterien läuft auf Hochtouren. Welcher Typ sich durchsetzen wird, ist offen – auch weil es je nach Verwendung sehr unterschiedliche Ansprüche gibt.
Acht Stunden quasseln, dann ist Schluss? Wie revolutionär auch immer das neue iPhone von Apple werden sollte, bei der Batterieleistung mussten sich auch die Technik-Magiere aus Cupertino schnöder Physik geschlagen geben – erste Messungen in unabhängigen Laboren ergaben sogar eher Laufzeiten von nur vier Stunden.
Dieser Makel im ansonsten glänzenden Auftritt des neuen Telefons wirft ein Schlaglicht auf ein Problem, das alle Hersteller tragbarer Elektronik plagt: Obwohl Spezialisten weltweit seit Jahrzehnten an besseren Akkus arbeiten, liegt in deren Kapazität noch immer eine der größten Beschränkungen für Laufzeit wie Funktionsumfang. Und auch hybride und gar rein elektrische Autos, die sich rapide steigenden Interesses erfreuen, stoßen hauptsächlich bei den Energiespeichern an Grenzen. Gerade sie sorgen derzeit für neuen Schwung in der Forschung – aber dabei geht es keineswegs nur um mehr Kapazität, sondern auch um Faktoren wie Kosten, Haltbarkeit und Sicherheit.
Das Prinzip der chemischen Speicherung elektrischer Energie ist möglicherweise seit der Antike bekannt: Ein Tongefäß aus dem 2. Jahrhundert vor Christus deutet darauf hin, dass bereits die Parther sogenannte Bagdad-Batterien für die Vergoldung von Kunstgegenständen verwendet haben. In Europa wurde dieses Wissen jedenfalls erst 1789 entdeckt, als der italienische Arzt Luigi Galvani beobachtete, dass die Muskeln von toten Fröschen zucken, wenn ihre Nerven mit Instrumenten aus verschiedenartigen Metallen berührt werden.
Das Prinzip der "galvanischen Zelle" hat sich seit diesen Tagen kaum gewandelt. Dabei werden zwei unterschiedliche Elektroden – meist Metalle oder Metalloxide – in einer Elektrolytlösung platziert. Dann bildet sich zwar ein Diffusions-Gleichgewicht zwischen jeder Elektrode und der Lösung: Aus den Kristallgittern lösen sich jeweils einzelne Atome, wandern in die Lösung und reagieren teils mit den dort vorliegenden Ionen; umgekehrt lagern sich auch Ionen aus der Lösung an den Festkörpern an. Zwischen den Elektroden aber herrscht ein Ungleichgewicht, weil ihre unterschiedlichen Materialien unterschiedlich viel Austausch mit der Lösung zulassen – es bildet sich eine elektrische Spannung.
Nicht alles auf einmal
Wie viel Ladung eine solche Zelle dann mitbringt, die Kapazität also, wird in Amperestunden (Ah) angegeben, die Menge der gelieferten Energie in Wattstunden (Wh). Daraus leiten sich wichtige Kenngrößen wie die Energiedichte (Wattstunden pro Kilogramm Gewicht) und die Leistungsdichte als Maß für die Leistung bei gegebenem Volumen oder Gewicht ab. Denn vor allem für Anwendungen wie starke Automotoren ist interessant, wie schnell eine Batterie gespeicherte Energie wieder freigeben kann.
Die Zahl der möglichen Kombinationen von Elektrodenmaterialien und Elektrolyt ist theoretisch riesig. In der Praxis haben sich jedoch nur wenige Systeme bewährt – insbesondere, wenn die Batterie wiederaufladbar sein soll, weil die chemische Reaktion dann reversibel ablaufen muss. Und selbst für diese Systeme gilt: Das ständige Auf- und Abbauen der Ionen an den Elektroden verändert ihre Struktur, sodass die Batterie im Laufe der Zeit einen Teil ihrer Speicherkapazität verliert. Blei-Akkus etwa, die vor allem als Auto-Starterbatterien, aber auch als Notfallspeicher in Elektrizitätsnetzen eingesetzt werden, halten genau wie Nickel-Metallhydrid-Zellen und gängige Lithium-Ionen-Batterien rund 1000 Lade- und Entladezyklen aus.
Theroretisch möglich wäre noch viel mehr. So sind laut Professor Dirk Uwe Sauer vom Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe der RWTH Aachen längst auch Lithium-Batterien demonstriert worden, die "speziell auf Langlebigkeit gezüchtet" auf bis zu 7000 Entladezyklen kommen. Das Problem liege in Zielkonflikten: "Sie bekommen nie alle Vorteile auf einmal. Wenn Sie besonders langlebige Systeme haben, müssen Sie bei der Energiedichte oder der Leistungsdichte Abstriche machen. Oder bei den Kosten."
Letztere sind zurzeit, wenn man die extrem schweren Bleibatterien außer Acht lässt, bei Nickel-Metallhydrid-Systemen (NiMH) mit 18 bis 22 Cent pro Wattstunde am niedrigsten. Eingeführt als Ersatz für die 2006 von der EU verbotenen Nickel-Cadmium-Batterien, bringen sie es heute auf eine Energiedichte von etwa 90 Wattstunden pro Kilogramm und auf um die zwei Amperestunden Kapazität in einer kleinen Standardzelle; das ist annähernd doppelt so viel wie im Jahr 1995, als Toshiba mit seiner sogenannten Highcap-Zelle mit 1,2 Amperestunden für Aufsehen sorgte.
