Was tut sich bei Li-Ionen Akkus?

6. Juni 2007

Rasant steigende Nachfrage nach mobiler Energie

Die Akku-Branche erlebt derzeit eine außerordentlich dynamische Phase - einerseits durch die Forderung nach klimaschonenderen Transportmitteln (z.B. leistungsfähige und zuverlässige Akkus für Hybrid-Antriebe) und andererseits durch den rapide steigenden Energiehunger mobiler Geräte, wie Power-Tools, Handys und Notebooks. Wer bereits früh Vista, das neue Betriebssystem von Microsoft, auf seinem Laptop nutzte, kann ein Lied davon singen, denn die schicke Benutzeroberfläche Aero erwies sich als enormer Stromfresser und verkürzte spürbar die Akkulaufzeit. Da momentan sowohl die quantitative Nachfrage als auch die qualitativen Anforderungen weit stärker steigen als sie zu befriedigen sind, sind spürbare Lieferengpässe seitens der Zellhersteller die Folge.

Die Zukunft gehört Li-Ionen Akkus

Zwar können heute noch viele Anwendungen preisgünstig mit den altbewährten NiMH-Zellen abgedeckt werden, jedoch ist diese Akku-Generation technologisch bereits ausgereizt, und es sind dort keine wesentlichen Innovationen mehr zu erwarten. Ganz anders bei Li-Ionen, denn von den theoretisch mit dieser Technologie erreichbaren Werten ist man noch weit entfernt, außerdem müssen Li-Ionen-Akkus noch billiger und auch zuverlässiger werden - wie der millionenfache Rückruf von Notebook-Akkus in den letzten Monaten bewies.

Forschungsfelder

Mit großem Aufwand wird derzeit an der Erforschung neuer Anodenmaterialien gearbeitet, zum Beispiel in Form von Lithiumlegierungen mit Zinn oder Silizium. Mit letzterem ergäbe sich beispielsweise eine theoretische Kapazität von 4.200 mAh/g (4,4 Lithiumatome pro Siliziumatom).

Gitterstörungen der Elektrodenmatrix durch Volumenveränderungen während der Lade-/Entladezyklen führen immer noch zu starken Kapazitätsverlusten. Derzeit versucht man beispielsweise, solche Volumenänderungen mit nanostrukturierten Materialien in inaktive Schichten abzuleiten.

Kosten und Lebensdauer der Akkus können auch Kathoden-seitig optimiert werden, z.B. durch billigere Aktivmaterialien auf Mangan- oder Eisen-Basis, wie dem preisgünstig verfügbaren und bereits erfolgreich angewandten Lithiumeisenphosphat.

Die Separatoren, also die nichtleitenden aber Ionen-durchlässigen Sperrschichten zwischen Anode und Kathode, spielen eine wesentliche Rolle bei der Eigensicherheit von Li-Ion-Zellen. Neue temperaturstabilere Materialien sind in der Entwicklung, sogar 'intelligente' Multi-Polymer-Laminate, die selbsttätig bei steigender Temperatur den Ladungsfluss unterbrechen und somit Kurzschlüsse aktiv verhindern. Ferner wird an keramischen Sperrschichten geforscht, die selbst bei sehr hohen Temperaturen noch zuverlässig separieren.

Auch in den Elektrolyt-Systemen steckt noch viel Optmierungspotenzial. Einerseits können beispielsweise unbrennbare Elektrolyte die Eigensicherheit der Zellen weiter erhöhen, andererseits sind gerade die genauen chemischen Vorgänge in den Grenzschichten zwischen Elektrolyt und Elektroden noch gar nicht vollständig erforscht und können durchaus noch Überraschungen bergen.

Welche Konsequenzen ergeben sich für EMB-Kunden?

Für das Design eines Akku-Packs reicht die Kenntnis technischer Kenndaten oder technologischer Details von Zellen alleine nicht aus. Mindestens ebenso wichtig sind Faktoren wie Praxiserfahrung, Verfügbarkeit, Preis und andere. Als EMB-Kunde können Sie sich darauf verlassen, dass Ihre Akku-Packs unter Berücksichtigung aller relevanten Faktoren optimal konfiguriert werden und Sie sich auf die Spezifizierung Ihrer Anforderungen konzentrieren können. Sofern für Sie die Kenntnis technologischer Details von Zellen von Bedeutung ist, wird EMB Sie darauf aufmerksam machen.

© Marc Stenzel

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