Mehr Leistung für Laptop-Akkus

Konventionelle Lithium-Ionen-Batterien in Laptops und Handys verlieren ihre Kapazität erstaunlich schnell oder fangen gar zu brennen an, wenn man sie überlastet oder anderweitig beschädigt. Forscher am Argonne National Lobaratory im US-Bundesstaat Illinois haben nun neuartige Verbundstoffe entwickelt, die solche Akkus sowohl sicherer als auch langlebiger machen sollen. Gleichzeitig lässt sich die Kapazität um bis zu 30 Prozent steigern.

Erste Schritte im Hinblick auf eine Kommerzialisierung der Technologie wurden bereits genommen. Der japanische Spezialhersteller Toda Kogyo hat die Argonne-Technik lizenziert. Dort bestehe eine Produktionskapazität für das Grundmaterial von 30 Millionen Laptop-Batterien pro Jahr, sagt Gary Henriksen, der den Forschungsbereich "Electrochemical Storage" an dem Labor managt.

Die neuen Materialien sind nur ein Beispiel für eine neue Generation von Lithium-Ionen-Elektroden, deren chemische Zusammensetzung die Probleme konventioneller Energiespeichertechnologien beheben sollen. Jede der Neuentwicklungen leidet allerdings auch wieder an eigenen Nachteilen. So hat ein weiterer Material, Lithium-Eisen-Phosphat, noch bessere Sicherheits- und Haltbarkeitsmerkmale als die Erfindung der Argonne-Wissenschaftler. Doch die Energiespeicherkapazität ist hier geringer als bei herkömmlichen Lithium-Ionen-Zellen. Der Ansatz aus Illinois will nun sowohl Sicherheit und Verlässlichkeit herkömmlicher Laptop-Akkus erhöhen, gleichzeitig aber auch länger Strom vorhalten.

Die Argonne-Forscher verbesserten die Leistungsfähigkeit der positiven Elektroden durch eine Steigerung der chemischen und strukturellen Stabilität des Materials, das bereits heute verwendet wird. Bei konventionellen Lithium-Ionen-Batterien, die auf Kobaltoxid-Elektroden setzen, reicht schon eine kleine Überhitzung aus, um die Temperatur innerhalb der Zelle stark zu erhöhen und gar zu einer Entzündung zu führen. Ausgelöst wird dies entweder durch eine Überladung oder elektrische Kurzschlüsse innerhalb der Batterie. Wenn das Material überhitzt, gibt das Kobaltoxid sofort Sauerstoff ab, der wiederum mit dem Lösungsmittel im Batterieelektrolyt reagiert. Dadurch wird die Temperatur weiter gesteigert und die Reaktion zusätzlich befeuert. Die Argonne-Forscher adressierten das Problem, in dem sie einen Teil des Kobaltoxids durch Manganoxid ersetzten, das chemisch stabiler ist.

Im nächsten Schritt tauschten sie einen Teil der aktiven Metalloxidmaterialien in der Elektrode durch ein verwandtes, aber elektrochemisch inaktives Material aus. Dieses Material speichert keine Energie, weil es keine Lithium-Ionen aufnimmt oder abgibt, wenn die Batterie lädt oder entlädt. (Lithium-Ionen-Batterien speichern elektrische Energie, indem Lithium-Ionen zwischen positiven und negativen Elektronen verschoben werden). Heraus kam ein Verbundstoff, der stabiler ist als das herkömmliche Elektrodenmaterial: Eine Variante des Materials kann ohne großen Kapazitätsverlust 1500 Mal aufgeladen und entladen werden. Das ist mehr als das Doppelte der Leistung mancher Laptop-Batterien.

Hinzu kommt, dass die Reduktion des aktiven, Energie speichernden Materials einen gegenläufigen Effekt auf die Speicherkapazität hat: Sie erhöht sich. Der Grund: Wenn zu viel Lithium aus konventionellem Kobaltoxidmaterial entnommen wird, baut es sich schneller ab und verliert seine volle Leistung. Mit dem inaktiven Material wird es möglich, wesentlich mehr Lithium zu verwenden, ohne das Material zu beschädigen.

Das neue Elektrodenmaterial kann so 45 bis 50 Prozent mehr Energie speichern als die besten Elektroden in heutigen Laptop-Akkus. Im Hinblick auf die Gesamtleistung der Batterie (die positive Elektrode stellt weniger als die Hälfte des Gesamtgewichts und Volumens einer Akkuzelle dar) bedeutet dies eine Verbesserung der Gesamtenergiekapazität um 20 bis 30 Prozent, wie Henriksen sagt.

Der nächste Schritt der Forscher ist es nun, die Geschwindigkeit zu erhöhen, mit der sich das Verbundmaterial aufladen und wieder entladen lässt. Dann würde sich die Technik auch für Hybridfahrzeuge eignen. Im jetzigen Zustand lässt es sich innerhalb von drei Stunden vollständig entladen – schnell genug für Laptops, aber viel zu langsam für Autos. Hier müssten die Entladezeiten mindestens drei Mal schneller werden – wenn nicht noch schneller. Dann ließe sich die Technologie auch in Plug-in-Hybriden nutzen, die an der Steckdose geladen werden können.

Yet-Ming Chiang, Professor für Materialwissenschaften am MIT, hält das neue Material für eine "deutliche Verbesserung im Vergleich zu Lithium-Kobaltoxid in Laptopbatterien". Die Kapazität wachse derzeit im Schnitt pro Jahr um 8 bis 9 Prozent. Mit dieser Leistungssteigerung "hat man sich also drei Jahre eingespart und die Konkurrenz möglicherweise überholt", meint der Forscher. Andere Hersteller von Laptop- und Handy-Akkus hätten gerne einen solchen Marktvorteil, so Chiang. (bsc)