Editorial: Wer traut sich an die nächste Akku-Revolution?

Lithium-Ionen-Akkus haben eine imposante Entwicklung hinter sich: Waren sie vor 15 Jahren nur vereinzelt in elektronischen Geräten zu finden, gibt es mittlerweile nur noch vereinzelt Laptops oder Handys mit einem Energiespeicher auf Basis anderer Akku-Technologie als Li-Ion. Die Gründe für diesen Siegeszug sind schnell genannt: Hohe Spannung pro Zelle (fast doppelt so hoch wie Blei-Akkus, dreimal so hoch wie NiCd und NiMH), hohe Energiedichte (fünfmal so hoch wie typische Blei-Akkus, doppelt so hoch wie NiMH) und - inzwischen - auch hohe Zuverlässigkeit: Die Zahl der möglichen Lade- und Entladezyklen und die kalendarische Lebensdauer guter Li-Ion-Akkus sind inzwischen so gut, dass einzelne Hersteller sogar dazu übergegangen sind, Li-Ion-Akkus fest in ihre Geräte einzubauen.

Smartphones leiden unter kleinen Akkus.
Bild: teltarif.de Erstaunlich ist jedoch, dass das für Li-Ion-Akkus namensgebende und für die hohe Energiedichte maßgeblich verantwortliche Lithium in diesen quasi nur als Spurenelement vorkommt: Am Gesamtgewicht des Akkus hat es gerade mal einen Anteil von drei bis fünf Prozent, und davon nimmt überhaupt nur ca. die Hälfte an den chemischen Umsetzungen beim Laden bzw. Entladen teil. Der Rest des Akkus dient zu zwei Zwecken: Das hochreaktive Lithium unter Kontrolle zu behalten. Und einen Gegenpol zum Lithium bereitzustellen: Beim Laden nimmt Lithium Elektronen auf, der Gegenpol muss es abgeben. Beim Entladen dreht sich das dann wieder um: Das Lithium gibt Elektronen ab, der Gegenpol nimmt auf.

Metall gezähmt

Beispiel Lithium-Kontrolle: An der negativen Elektrode werden beim Laden Lithium-Ionen per Elektronenaufnahme zu neutralen Lithium-Atomen. Diese würden sich normalerweise als Metall auf der Elektrode abscheiden. Weil das ungleichmäßig geschieht, kommt es zum Wachstum von Dendriten, kleinen, scharfen Nadeln, die den Separator zwischen den beiden Elektroden durchdringen und dann zu Kurzschluss, Brand und Feuer führen können. Deswegen verfügen praktisch alle derzeit gebräuchlichen Li-Ion-Akkutypen über eine voluminöse negative Elektrode aus Graphit: Dann lagern sich die Lithiumatome einzeln an geeigneten Plätzen zwischen den Graphit-Schichten ab, statt sich zu großen, gefährlich als Nadeln wachsenden Pulks "zusammenzurotten".

Neue Konzepte aus den Forschungslabors der Universitäten setzen auf neue Lithium-Speicher: Silizium oder Zinn können viel mehr Lithium aufsaugen als Graphit. Man muss diese Materialien aber nanostrukturieren, da sie sich derart stark mit Lithium vollsaugen, dass ein massiver Metallblock aus Silizium beispielsweise unter dem inneren Druck zerreißen würde, sobald er von einer Seite aus mit Lithium "befüttert" wird. Zinn ist weicher und verformt sich unter Druck eher plastisch als zu reißen, ist aber auch schwerer.

Einige Forscher gehen sogar noch einen Schritt weiter und verzichten ganz auf einen Lithium-Speicher: Wenn der Separator nur hart genug ist, kann er zuverlässig verhindern, dass das Lithium auf Abwege gerät. Immerhin ist Lithium ein vergleichsweise weiches Metall; die Stechkraft der oben zitierten Dendriten also begrenzt.

Auf der zweiten Seite lesen Sie, mit welchen Tricks sich auch die positive Elektrode erheblich weiter optimieren lässt.