Forscher an der ETH-Zürich arbeiten an einem feuerfesten, widerstandsfähigen Akku. Noch braucht er aber 95 Grad um effizient zu arbeiten. Eine Marktreife ist vor 2020 nicht zu erwarten.
Das explodierende Galaxy Note 7, brennende iPhones und rauchende Hoverboards. 2016 ist das Jahr der explodierenden Tech-Geräte. Aber auch Tesla und Boeing kämpfen mit dem Problem. Die Ursache ist schnell gefunden: Die Akkus sollen immer kleiner und leichter werden und dabei so schnell wie möglich aufgeladen sein und die größtmögliche Ausdauer haben. Die Rechnung geht nicht auf. Das legen die jüngsten Vorfälle beim Galaxy Note 7 zumindest nahe.
Bei klassischen Lithium-Ionen-Akkus besteht die Gefahr des "Thermal-Runway-Effekt". Dieser entsteht, wenn es zu einem Kurzschluss im Akku kommt. In modernen Akkus bestehen Kathode (Pluspol) und Anode (Minuspol) aus hauchdünnen Folien, die zu einer Zelle aufgewickelt werden. Dazwischen ist eine noch dünnere Kunststofffolie – Separator –, der einen Kurzschluss verhindern soll. Letzterer ist dünner als ein menschliches Haar.
"Lithium ist hochreaktiv"
"Lithium ist hochreaktiv. Wenn der flüssige Elektrolyt mit dem darin enthaltenen Lithium mit Luft in Kontakt kommt, kann es sich spontan entzünden", erklärt Jennifer Rupp von der ETH Zürich auf Anfrage. Ein Grund für brennende Akkus kann daher eine undichte Hülle sein.
"Es gibt prinzipiell zwei Möglichkeiten, Akkus sicherer zu machen", so Rupp. "Man kann die Hülle besser machen, so dass die Materialien im Innern nicht mit Luft in Berührung kommen, auch wenn das Smartphone einen Schock erfährt." Die zweite Möglichkeit, an der auch die ETH-Professorin mit ihrer Gruppe forscht: Einen Elektrolyt aus festen Materialien zu verwenden. "Den können Sie an der Luft liegen lassen, da passiert gar nichts."
Hitzebeständige Trockenakkus
Die Idee von Trockenakkus geht auf Materialentwicklungen der vergangenen fünf bis sechs Jahre zurück: In den Fokus rückten Elektrolytmaterialien aus Keramiken. Lithiumgranat gehört dabei zu den festen Materialien mit einer der höchsten bekannten Leitfähigkeit für Lithium-Ionen.
Die Forschungsgruppe von Jennifer Rupp stellte kürzlich einen Prototypen eines solchen Festkörperakkus mit einem Lithiumgranat-Elektrolyt vor. Dabei konnten sie auch einen Knackpunkt an Festkörperakkus lösen, nämlich die Elektroden und den Elektrolyten so miteinander zu verbinden, dass sich die Ladungen möglichst widerstandsfrei bewegen können.
Rupps Team wendete dafür einen Trick an: Bei der Herstellung der Elektrolytschicht sorgten sie dafür, dass diese eine poröse Oberfläche als Festkörper bekam. Das Material des Minuspols kann direkt mit dem Elektrolyt in fester Form verbunden werden, was einen schnellen Lithiumtransfer im Akku ermöglicht.
Durch den Kniff mit den Poren vergrößerten die Wissenschafter die Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt, so dass der Akku-Prototyp sich auch schneller laden lässt als andere Festkörperakkus auf Basis von Lithiumgranat, die weltweit in Labors entwickelt werden.
Ein weitere Vorteil: Mit dem festen Elektrolyt ließe sich auch die Kunststoff-Trennschicht, die den Kurzschluss verhindert, noch dünner machen. "Momentan liegt die Dicke bei etwa zehn Mikrometern. Wir kommen in unserem Labor auf 100 Nanometer runter, also um zwei Größenordnungen flacher", so Rupp.
Marktreife noch fünf Jahre entfernt
Bis zur Marktreife solcher Festkörperakkus könnten aber noch fünf Jahre vergehen, sagte die Forscherin. Der Akku ihrer ETH-Gruppe funktioniert beispielsweise derzeit am besten bei 95 Grad. Er kann sich zwar nicht entzünden, ist mit seiner Optimaltemperatur aber noch ein Stück weg von der Anwendung in Smartphones.
Hersteller werden daher vermutlich erst einmal auf bessere Akkuhüllen setzen. Da die Smartphones und damit auch die Akkus aber immer flacher werden sollen, warten die Tech-Konzerne vermutlich sehnsüchtig auf den ersten marktreifen Festkörperakku.
Alumiminium statt Lithium
Forschungen der Universität Stanford gehen ebenfalls in Richtung Festkörper-Akku. Die Wissenschaftler setzen dabei aber auf Aluminium statt Lithium. Einerseits ist es günstiger und auch um ein vielfaches widerstandsfähiger. Zudem lässt sich der Akku binnen einer Minute vollständig aufladen und auch wenn man ihn durchbohrt, fängt er kein Feuer.
Zu guter letzt soll auch die Haltbarkeit höher sein. Statt 1000-Ladezyklen wie bei Lithium-Ionen-Akkus könne ein Aluminium-Ionen-Akku 7.500 mal geladen werden, ohne dass es zu einem Kapazitätsverlust kommt, schreiben die Forscher.
>>>> Hier geht's zur Forschungsarbeit der ETH Zürich.
(APA/SDA/Red. )
