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Research News from the li-Ion Battery

Bahnbrechende Neuerungen in der Li-Ionen-Batterieentwicklung

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Es tut sich etwas in der Li-Ionen-Batterieentwicklung. US-amerikanischen Forschern der Stanford University ist es gelungen, das Leistungsvolumen von Lithium-Ionen-Akkus deutlich zu verbessern. Expertenmeinungen zufolge ist dies ein Durchbruch, der vor allem auch auf dem Gebiet der Elektromobilität von großer Bedeutung sein dürfte: Vor dem Hintergrund der nachhaltigen Energiegewinnung wurde der Öffentlichkeit unlängst ein Lithium-Ionen-Akku vorgestellt, der es buchstäblich „in sich“ hat. Denn im Vergleich zu herkömmlichen Batterien ist die Li-Ionen-Innovation um bis zu 20 Prozent effizienter – und brilliert außerdem durch ein höheres Maß an Sicherheit und Zuverlässigkeit.

Mehr Effizienz durch veränderte Sichtweisen

Der „grüne Gedanke“ treibt Wissenschaftler in aller Welt an, die Energiegewinnung und -speicherung zu forcieren, neue Methoden auf diesem Gebiet zu entwickeln und zukunftsorientierte Produkte zu erschaffen. Der Fokus liegt diesbezüglich vor allem auf der Entwicklung von Smartphones, Laptops und Elektro-Autos. Wenn man die rasant zunehmende Digitalisierung betrachtet, wird der Bedarf an „Energielieferanten“ in naher Zukunft immens steigen. Perfektes Timing also für die neuen, effizienten Li-Ionen-Batterien. Aber was hat es damit tatsächlich auf sich?

Es kommt nicht allein auf die Größe an

Die Philosophie der Amerikaner lautet seit jeher augenscheinlich: „Höher, schneller, weiter“. Nicht so mit Blick auf die Entwicklung von Akkus. In diesem Bereich sind sich die Wissenschaftler offenbar einig, dass mit Kompakt-Formaten weit mehr erreicht werden kann. Aber gerade in diesem Punkt liegt die Schwierigkeit. Ziel ist es, trotz geringerer Akku-Größe ein Maximum an Leistung zu generieren. Bezogen auf die Automobilindustrie rückt die Erhöhung der Reichweite der Elektroautos stark in den Mittelpunkt. Mehr Leistung trotz Kompaktformaten – eine Herausforderung, die bisher unlösbar schien.

Doch damit nicht genug, denn auch der Sicherheitsaspekt darf keinesfalls auf der Strecke bleiben. Die Realität sah in der Vergangenheit jedoch anders aus. Immer wieder war in den Mainstream-Medien beispielsweise davon die Rede, dass Handy-Akkus urplötzlich und ohne ersichtlichen Grund überhitzten. Manche explodierten sogar bzw. gingen in Flammen auf.

Oberflächliche Veränderungen mit großer Wirkung

Bemerkenswert hinsichtlich der zukunftsorientierten Veränderung an den Akkus war, dass sich die Forscher zunächst lediglich mit „Nebensächlichkeiten“ auseinandergesetzt hatten. So war ihr Augenmerk vornehmlich auf die Stromkollektoren der Batterien gerichtet. Jede Lithium-Ionen-Batterie ist mit zwei Stromkollektoren versehen. Dabei ist einer für jede Elektrode bestimmt. Ihre Aufgabe ist es, die aus der Elektrode fließende Energie zu verteilen.

Erwähnenswert ist, dass Stromkollektoren in der Regel ein recht hohes Eigengewicht aufweisen und damit in Bezug auf die angestrebte Leistungssteigerung bei Batterien eher kontraproduktiv sind. E-Mobile sind ein „leuchtendes“ Beispiel dafür, dass Größe und Gewicht zulasten des Energieportfolios gehen.

Die US-Forscher entwickelten ein Polymer, das als Polyimid bezeichnet wird. Es ist überaus leichtgewichtig und obendrein feuerresistent. Damit enthält es selbst den hohen Temperaturen stand, die beim Aufladen des Akkus entstehen. In Kombination mit einer feuerhemmenden Substanz, dem Triphylphosphat und einer ultrafeinen Kupferummantelung wurden im Rahmen zahlreicher Tests bei der Energiegewinnung unglaubliche Resultate erzielt. So ist der neu entwickelte Kollektor mehr als 80 Prozent leichter als gängige Modelle, und gleichzeitig kann eine um bis zu 26 Prozent höhere Energiedichte verzeichnet werden.

Die Besonderheiten auf den Punkt gebracht

  • Entwicklung des leichtgewichtigen, nicht entflammbaren Polymers Polyimid
  • Einbettung des funkenhemmenden Triphenylphosphats TPP in das Polymer
  • Oberflächenbeschichtung mit einem ultrafeinen Kupferfilm zum Schutz des implementierten Polymers sowie zur verbesserten Stromverteilung

Hinweis:

Bereits im Vorfeld hatten Wissenschaftler in aller Herren Länder immer wieder versucht, das Eigengewicht der Stromkollektoren zu minimieren. Die Folge war jedoch meist eine chemische Instabilität der Batterie. Zugleich musste der Elektrolyt-Anteil steigen, was mit einem teils immensen finanziellen Aufwand verbunden war. Nicht zu vergessen der Sicherheitsaspekt: Man fügte feuerhemmende Substanzen hinzu, jedoch wurde dadurch in vielen Fällen die Leitfähigkeit des Akkus beeinträchtigt.

Die von den Forschern der Stanford University durchgeführten Neuerungen konnten buchstäblich „zwei Fliegen mit einer Klappe schlagen“: Zum einen gelang es, das Eigengewicht und auch die Größe des Akkus zu reduzieren, und auf der anderen Seite wurde die Effizienz der Li-Ionen deutlich verbessert. Darüber hinaus spielt die Erhöhung der Sicherheitsleistungen bei den neuen Li-Ionen-Batterien eine wesentliche Rolle.

Im Laufe der Jahre hat sich immer wieder gezeigt, dass Batterien, die über längere Zeit überhitzt werden, erheblich an Leistung einbüßen. Schlimmer noch ist hierbei aber die stetig steigende Brandgefahr. Aus diesem Grund sind in fast allen Elektrofahrzeugen hochkomplexe und extrem kostspielige Kühlsysteme verbaut, um bestehende Sicherheitsrisiken zu senken. Sobald die Neuentwicklung der US-Forscher zur Marktreife gebracht und in Serie produziert wird, kann man auf die teuren Kühlsysteme endlich verzichten. Die neuen Li-Ionen-Batterien benötigen lediglich spezielle Heizungen, die mit Blick auf die Anschaffung und Montage erheblich günstiger sind als die althergebrachten Technologien.

Fazit

Obwohl die neuen Li-Ionen-Batterien noch nicht serienreif sind, ist man schon jetzt sicher, dass diese Akkuvariante aller Voraussicht nach die Einzige ist, die man – zumindest nach jetzigem Technikstand – verbauen kann. So bleibt zu hoffen, dass die viel zu komplexen und teuren Batterien, welche bisher noch zur Anwendung kommen, alsbald vom Markt genommen werden. Denn nur dann kann es gelingen, Mensch und Natur tatsächlich zu entlasten und wertvolle Ressourcen zu schonen. Der „Lohn“ für diese bahnbrechenden Veränderungen sind ein insgesamt höheres Leistungsportfolio, mehr Sicherheit für Verbraucher und ein besserer Schutz von Mutter Natur.

 

 

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