Neue Akkus für das 21. Jahrhundert

Akkus

Sie versehen ihren Dienst in Lampen, Taschenrechnern, Akkuschraubern, Mobiltelefonen, Elektroautos – die Liste ließe sich seitenweise fortführen – und sind aus Haushalt und Industrie nicht mehr wegzudenken. Die Rede ist von Batterien und Akkus, jenen kleinen Energiespendern, die unzählige Elektrogeräte erst zum Leben erwecken und ihren Dienst versehen, bis Ihnen die »Puste« ausgeht. Und das ist leider immer viel zu schnell der Fall! Das soll sich ändern. Wissenschaftler und Techniker forschen an unterschiedlichsten Konzepte, um Batterien zu entwickeln, deren Leistung und Lebensdauer bisher unerreicht ist. Die neuen Energiebündel sind transparent und dünn wie Folie, lassen sich beliebig zerschneiden, auf Papier drucken, in Textilien weben und in Sekundenschnelle Laden. Wer als Erster den Kampf um die Batterie der Zukunft gewinnt, dem stehen milliardenschwere Gewinne ins Haus.

Der Markt für Lithium-Ionen-Batterien ist gigantisch und verspricht satte Gewinne. »Schuld« daran sind die Elektroautos, die in Zukunft immer mehr unser Straßenbild prägen sollen und die nach kraftvollen und ausdauernden Energiespendern nur so dürsten. Die Ziele der Bundesregierung sind ehrgeizig und ambitioniert: So sollen bis 2020, wenn es nach deren Willen geht, eine Million elektrisch angetriebene Fahrzeuge auf deutschen Straßen rollen. Doch der Zwischenbericht der Bundesregierung scheint ernüchternd – die Batterien der Elektrofahrzeuge spielen nicht mit. Sie sind zu wenig ausdauernd und zu schwach. Grund genug, die Fördermittel in den letzten beiden Jahren deutlich aufzustocken. Rund 800 Millionen Euro hat es sich die Bundesregierung kosten lassen, den Entwicklungsrückstand gegenüber Japan, den USA und Korea wettzumachen. Und ein schnelles Tempo bei der Entwicklung von Hochleistungsakkus vorzulegen tut dringend Not. In einer Studie der Boston Consulting Group (BCG) heißt es etwa, dass 2020 rund 15 Prozent aller verkauften Fahrzeuge weltweit mit Elektroantrieb ausgestattet sein werden. Die Autohersteller benötigen dann ab 2020 Batterien mit einer Gesamtkapazität von jährlich 100 Gigawattstunden. Doch nicht nur der Automarkt dürstet nach langlebigen Batterien, auch die unzähligen Smartphones, Notebook und Tablet-PCs benötigen Akkus, die extrem langlebig und hyperschnell zu laden sind. Wer hier als erster Anbieter mit einer Akkulösung auf den Markt, der kann Gewinne in schwindelerregenden Höhen erwarten. Zum Vergleich: Allein mit Handyakkus setzen Hersteller heutzutage weltweit mehr als acht Milliarden US-Dollar um.

Unternehmen und deren Wissenschaftler, Forscher und Ingenieure arbeiten deshalb weltweit fieberhaft an dem Akku der Zukunft. Zum einem soll dieser sehr lange seine Kapazität halten können und zum anderen sehr schnell aufzuladen sein. Zumindest dem zweiten Aspekt dieser beiden Anforderungen scheint man einen großen Schritt näher gekommen zu sein. Paul Braun und seine Kollegen Xindi Yu und Huigang Zhang von der University of Illinois scheinen ein Weg gefunden zu haben, der ein sekundenschnelles Laden eines Mobiltelefons oder Notebooks ermöglicht. Die amerikanischen Forscher kombinieren dabei das Prinzip herkömmlicher Lithium-Ionen- oder Nickel-Metallhybrid-Akkus und dem von Kondensatoren, die sehr schnell zu laden sind, jedoch nur eine geringe Energiespeicherkapazität haben. Um dies zu erreichen, wurde auf die Kathoden von Akkus ein dünner Film eines aktiven Speichermaterials aufgetragen. So entstand eine 3D-Nanostruktur, die ein schnelles Aufladen, wie beim Kondensator ermöglicht, dabei aber die Energiespeicherkapazität eines Akkus aufweist. Selbst den Hochleistungsakkus eines Notebooks könnte man innerhalb weniger Minuten mit diesen neuen Akkus laden. Eine große Zukunft sieht das Trio vor allem im Einsatzgebiet als Akkus in Elektroautos. Das Aufladen eines Elektromobils würde dann nicht viel mehr Zeit in Anspruch nehmen als ein normaler Tankstopp an einer Tankstelle. Bis zur Markteinführung dieser schnellladenden Akkus, dürfte freilich noch einige Zeit vergehen. Wann dies in etwa sein könnte, darüber hüllen sich die Wissenschaftler derzeit noch in Schweigen.

Während viele Wissenschaftler versuchen, die kleinen Energiespender langlebiger zu machen, schwebt dem jungen Nachwuchswissenschaftler Yuang Yuang von der US-Eliteuniversität und Ideenschmiede Stanford etwas ganz anderes davor – er möchte Batterien vor allem kleiner, dünner und biegsamer im Design machen. Und es ist ihm gelungen: sein fingernagelgroßer Prototyp ist transparent und besitzt Elektroden, die so dünn sind, dass sie vom menschlichen Auge kaum mehr zu erkennen sind. Noch speichert der Winzling 30mal weniger Energie, als ein herkömmlicher Akku, doch ist es für den ambitionierten Wissenschaftler nur eine Frage der Zeit, bis dieses Manko behoben sein wird. Innerhalb der nächsten Jahre möchte Yuang die Kapazität seiner Folienbatterie um das Zehnfache erhöhen. Als Absatzmarkt bzw. Anwendungsgebiet hat er dabei die Hersteller von ultradünnen Tablet-PCs im Auge, die seine Folie einfach aufkleben können. Damit werden sehr viel flachere und sogar transparente Tablets oder Smartphones möglich sein. Weltweit definieren Wissenschaftler die Batterie neu und denken dabei radikal um. Diese Visionäre unter den Wissenschaftlern möchten „Allerweltsmaterialien“ wie etwa Plastik, Papier oder Textilien selbst zu Stromspeichern machen. Statt in dicken Akkupacks ließen sich die Energiespeicher damit in den Bauteilen selbst unterbringen – etwa in das Gehäuse von Smartphones oder die Karosserie von Elektromobilen. Smartphones wären dann nicht dicker, als beispielsweise eine Kreditkarte.

Und die Visionen und Ideen gehen noch weiter: Das amerikanische Startup-Unternehmen Paper Battery hat eine Akkufolie auf den Markt gebracht, die so dünn ist, wie Plastikfolie und sich ebenso zusammenrollen lässt. Und man kann die Akkufolie beliebig mit der Schere zuschneiden. Somit ist es möglich, den Energiespeicher an jedes Design anzupassen. So sollen etwa Notebooks und Tablets im Inneren komplett mit Akkufolie beklebt werden, um deren Laufzeit wesentlich zu erhöhen und dabei gleichzeitig das Gewicht und die Abmaße zu verringern. In eine ähnliche Kerbe schlägt das finnische Unternehmen Enfucell. Es hat ein spezielles Verfahren entwickelt, um Energiespeicher auf Plastikfolie zu drucken.

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Die SoftBattery des finnischen Unternehmens Fuecell ist nicht dicker als eine Scheckkarte.
© Fuecell

Dank der neuen Drucktechnologie sollen einmal elektronische Lesegeräte so dünn wie Papier werden und deren komplette Rückseite aus Akkufolien bestehen. Möglich wird die Produktion dieser dünnen Energiespender dank herkömmlicher Siebdruckmaschinen, die bisher T-Shirts bedrucken. Nach Umrüstung dieser Maschinen trägt der Drucker Schicht für Schicht Anode, Elektrolyt und Kathode auf. Dies sind die drei elementaren Bestandteile, aus denen eine Batterie besteht und die notwendig sind, um eine elektrische Ladung zu speichern und zu transportieren.

Grenzenlose Möglichkeiten

Die Einsatzgebiete gedruckter und hauchdünner Batterien scheinen grenzenlos zu sein und beflügeln die Phantasie der Unternehmen. Der amerikanische Verpackungshersteller Sealed Air Corporation beispielsweise sieht die Zukunft der hauchdünnen Batterien im Bereich der Logistik. Schon heute benutzt das Unternehmen gedruckte Batterien, die Sensoren mit Temperaturfühlern antreiben, um gekühlte Lebensmittel oder Medikamente während des Transports zu überwachen. Am Ziel angekommen, lesen Mitarbeiter die gespeicherten Sensordaten aus, um zu kontrollieren, ob die Kühlkette nicht unterbrochen wurde. Zukünftig sollen gedruckte Batterien mit Beschleunigungssensoren ausgestattet werden. Diese sogenannten Sensorsticker registrieren schwere Stöße zusammen mit der Uhrzeit. Händler teurer und zerbrechlicher Ware könnten dann ganz genau feststellen, wer das wertvolle Paket fallen ließ. Doch nicht nur allein die Logistikbranche ist sehr stark an den gedruckten Batterien interessiert – auch die Pharmaindustrie ist begeistert von neuen Möglichkeiten. So entwickelt das finnische Unternehmen Enfucell derzeit batteriebetriebene Hightech-Pflaster. Einsatzgebiet der neuen Pflaster sind Rheuma-Medikamente oder Hautheilmittel, die unter Zuhilfenahme eines schwachen Stroms zeitnah und durch die Haut Medikamente in den Körper zu transportieren. Einen Namen für diese Behandlungsmethode gibt es auch schon – Iontophorese. Bisher findet die Iontophorese-Behandlung nur in Arztpraxen an kabelgebundenen Geräten statt. Das Enfucell-Pflaster soll diesen Arztbesuch überflüssig machen. Andere Pharmaunternehmen entwickeln derzeit gedruckte Batterien in Verbindung mit hauchdünnen elektronischen Pflastern, die in der Lage sind Hirnströme, Blutdruck und Puls zu messen. Die gemessenen Daten übermitteln die Hightech-Pflaster anschließend per Funk an den behandelnden Arzt oder speichern den Datenstrom direkt im Pflaster.
Mediziner versuchen indes ein ganz anderes Problem in Angriff zu nehmen: Herzschrittmacher oder Sonden, die in Arterien den Blutdruck messen, brauchen Energie. Es ist nicht viel, aber dennoch brauen sie soviel Energie, dass bei einem Herzschrittmacher etwa alle acht Jahre die Batterie ausgetauscht werden muss. Für die Wissenschaftler von Institut für Mikrosystemtechnik der Universität Freiburg ein unhaltbarer Zustand! Sie wollen diese Prozedur überflüssig machen und gehen dabei einen gänzlich neuen Weg und machen aus unserem Körper eine Brennstoffzelle. Dazu wird die Außenhaut des Herzschrittmachers mit einer dünnen Oberfläche aus ganz speziellen Edelmetallen beschichtet. Diese Edelmetallkombination spaltet den Blutzucker und aus der frei werdenden chemischen Energie erzeugt man Strom, der wiederum den Herzschrittmacher antreibt.

Auch wenn viele der unzähligen Ideen, die mit den neuen Batterien machbar sein werden derzeit in den Kinderschuhen stecken und noch Jahre bis hin zur Produktreife brauchen, eines steht fest – sie werden unsere Leben auf eine Art verändern, die wir uns noch gar nicht vorstellen können!

Kurzinfo: Häuserwände als Energiespeicher
Wissenschaftler der University von Buffalo im US-Bundesstaat New York haben es auf Baustoffe abgesehen, um zu sehen, was man mit ihnen als Energiespeicher so alles machen könnte. So wurden im Labor Beton mit Kohlenstoff und Zink vermengt. Und: Der so entstanden Baustoffblock war tatsächlich in der Lage eine Mikrowatt Strom in seinem Inneren zu speichern. Sicherlich sind herkömmliche Batterien in der Lage, sehr viel mehr Energie zu speichern, jedoch wird Beton meist in großen Flächen verbaut, was es als Energiespeicher selbst bei der kleinen Speicherkapazität, sehr interessant macht. Mit dieser Methode könnte zukünftig gewonnener Solarstrom einfach an Ort und Stelle in der Hauswand gespeichert werden.

Kurzinfo: Biokraftwerke für die Jackentasche
Japanische Forscher sehen eine zukünftige Entwicklung in sogenannten Biobatterien. Diese sind in der Lage Elektrizität aus Zucker, Fetten oder Eiweiß zu gewinnen. Gebaut haben die Wissenschaftler ein würfelförmiges Kraftwerk mit einer Kantenlänge von rund zwei Zentimetern. Es generiert aus einer Zuckerlösung 50 Milliwatt Strom, genug um einen MP3-Player zu betreiben. Das hat den Elektronikgiganten Sony aufhorchen lassen, der sich mittlerweile sehr für diese Technologie interessiert.

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