Energy to go

Von der Taschenlampe bis zum Tesla: Ohne Akku ist man aufgeschmissen. Was aber ist die Batterietechnologie der Zukunft? Forschende auf der ganzen Welt suchen nach neuen Lösungen.

Im Bereich der Elektromobilität geht ohne sie gar nichts: Akkus. Sie liefern den «Saft» für unzählige Fahrzeuge und Anwendungen, die ihren Reiz gerade dadurch gewinnen, dass sie nicht ständig an der Steckdose hängen müssen. Auch wenn die Batterietechnik in den vergangenen Jahrzehnten grosse Fortschritte gemacht hat, erscheint uns ein Akku oft etwas «altmodisch» im Vergleich zur modernen Hightech-Elektronik. Beispiel: Der Mikroprozessor eines Smartphones ist in der Lage, innerhalb von Sekunden Milliarden von Rechenoperationen auszuführen. Aber bis der Akku aufgeladen ist, dauert es Stunden. Auch, was das Gewicht betrifft, stehen Akkus an der Spitze aller verbauten Komponenten. Konsumierende mögen sich darüber ärgern – aber es liegt einfach in der Natur der Sache, dass Energiespeicher und die darin ablaufenden chemischen Reaktionen nicht dermassen miniaturisiert werden können, wie wir es aus der Welt der Halbleiterindustrie kennen. Im Alltag haben wir es mit verschiedenen Akkutypen zu tun:

• günstige Alkalinebatterien, zum Beispiel in Fernbedienungen und Uhren
• Nickel-Cadmium-Akkus, die ähnlich wie Alkalinebatterien eingesetzt werden, aber wiederaufladbar sind
• Lithium-Ionen-Akkus, zum Beispiel in Kameras, Bohrmaschinen und elektrischen Autos
• Lithium-Polymer-Akkus, zum Beispiel in Smartphones und Tablets. Lithium-Polymer-Akkus sind eine spezielle Bauform von Lithium-Ionen-Akkus. Speziell deshalb, weil sie dank der Verwendung eines gelartigen statt flüssigen Elektrolyten sehr flach gebaut werden können. Allerdings sind sie empfindlicher als Lithium-Ionen-Akkus.

Auch wenn Lithium-Akkus heute das Mass aller Dinge sind, gewisse Nachteile können nicht übersehen werden. Wohl jeder hat schon Bilder von Smartphones oder Elektroautos gesehen, deren Akku in Brand geraten oder gar explodiert ist – ein Horrorszenario. Weltweit wird deshalb fleissig an neuen Akkutypen und -technologien geforscht. Das Ziel: Grösse, Gewicht, Ladezeit und Preis von Akkus zu senken und die Sicherheit zu erhöhen. Es kommt hinzu, dass die Elemente Lithium und Kobalt als Hauptbestandteile vieler Akkus nicht unbegrenzt zur Verfügung stehen.

Ein möglicher Nachfolger sind Magnesium-Akkus. Auf diese Technologie fokussiert sich ein Forschungsprojekt des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und des Helmholtz-Instituts in Ulm. «Eine Magnesiumbatterie hätte im Vergleich zu konventionellen Lithium-Ionen-Batterien entscheidende Vorzüge», schreibt das KIT in einer Pressemitteilung. «Magnesium als Anodenmaterial ermöglicht eine höhere Energiedichte und wäre viel sicherer.» Ein weiterer Vorteil: Magnesium kommt als Rohstoff etwa 3 000 mal häufiger als Lithium vor und ist noch einfacher zu rezyklieren. «Kommt Europa bei der Entwicklung zügig voran, könnten Magnesiumbatterien ausserdem dabei helfen, die Dominanz der asiatischen Produzenten von Batteriezellen zu vermindern und eine konkurrenzfähige Batteriefertigung in Europa zu etablieren», schreibt das KIT weiter. Ein weiterer Kandidat für sogenannte Solid-State-Akkus (Feststoffakkumulatoren) besteht – man höre und staune – aus Glas. Das darin vorkommende Natrium gehört zu den häufigsten Elementen. Solche Akkus mit Spezialglas als Elektrolyt sollen sich innerhalb von Minuten aufladen lassen und grössere Sicherheit bieten als brennbare Lithium-Ionen-Akkus. Bis eine solch neue Batterietechnologie zur Marktreife gelangt und die Lithium-Ionen-Akkus endgültig verdrängt, dürften allerdings noch einige Jahre vergehen.

maxon entdeckt die Welt der Akkus

Der Antriebsspezialist maxon als Akkuhersteller? Das ist keine Zukunftsmusik, sondern bereits Realität. Angefangen hat die Reise in die Welt der Energieversorgung mit der Entwicklung des BIKEDRIVE – eines Nachrüstkits, das aus einem normalen Fahrrad ein E-Bike macht. Nachdem es zu Schwierigkeiten mit dem Zulieferer der Akkus gekommen war, entschied sich maxon, den Akku selbst herzustellen. Das ist allerdings einfacher gesagt als getan. Denn die Herstellung von Akkus erfordert Ingenieurkunst, Fachwissen und Betriebsmittel. «Für uns ist es ein relativ neues, aber sehr spannendes Themengebiet», sagt Benny Keller von maxon advanced robotics & systems (mars).

Ein Akku besteht aus mehreren Einzelzellen, die typischerweise eine Spannung von 3,7 Volt liefern. Je nach Verschaltung dieser Einzelzellen ergeben sich verschiedene Werte für den Akku. Sind Batterien in Serie geschaltet, summiert sich die Spannung. Sind sie dagegen in einer Parallelschaltung angeordnet, erhöht sich die Kapazität. Solche Einzelzellen zu einem Paket zu «schnüren», erfordert Geschick und Fachwissen. «Zudem muss man viele Sicherheitsnormen erfüllen», erklärt Benny Keller. Nach dem fachgerechten Kleben und Verschalten der Einzelzellen ist ein Akkupaket noch nicht fertig. Nötig ist auch ein Batteriemanagementsystem (BMS). Diese Elektronik wird meist in Form einer Platine im Gehäuse des Akkus untergebracht. Die Spezialisten von maxon haben ein eigenes BMS entwickelt und hergestellt. Es sorgt dafür, dass die einzelnen Zellen gleichmässig belastet und aufgeladen werden. Dies ist entscheidend für die Lebensdauer von Akkus. Auch unter dem Aspekt der Sicherheit ist ein BMS nötig. Es verhindert beispielsweise, dass der Akku bei zu grosser Kälte oder Wärme belastet oder geladen wird.

Klar: Als Neuling in der Akkuszene kann man nicht von heute auf morgen eine Serienproduktion hochfahren. Für die Herstellung von Prototypen und kleineren Stückzahlen ist die Werkstatt in Giswil aber hervorragend ausgerüstet. Bei grösseren Stückzahlen greift maxon auf die Hilfe renommierter Hersteller im süddeutschen Raum zurück. Die Einsatzmöglichkeiten von maxon Akkus liegen naturgemäss im Bereich der Elektromobilität und Robotik.