Technische Revolution: Neuer Super-Akku lädt in Sekunden

Forscher haben Lithium-Akkus so modifiziert, dass sie eine Revolution in der Unterhaltungselektronik und dem Elektroauto-Markt verursachen könnten. Handys und Laptops wären innerhalb von Sekunden bis Minuten wieder aufgeladen.

Ist es der lang ersehnte Durchbruch in der Akku-Technologie? Ihre Lithium-Akkus könnten in Zukunft nur in Minuten oder gar Sekunden geladen werden, schreiben Materialforscher um Byoungwoo Kang und Gerbrand Ceder vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) im Fachblatt "Nature".

Handy: Neuer Akku würde Aufladen innerhalb von Sekunden ermöglichen
Corbis

Handy: Neuer Akku würde Aufladen innerhalb von Sekunden ermöglichen

Möglich wird das durch einen Lithiumphosphat-Überzug. Auf diese Weise verkürzt sich die Ladezeit, während die Leistungsdichte bei gleicher Speicherkapazität steigt. Der Akku kann also bei Bedarf kurzfristig mehr Energie liefern, so die Forscher. Schon in zwei bis drei Jahren rechnen sie damit, dass ihre neuen Hochleistungsbatterien in Handys, Laptops und Elektroautos zum Einsatz kommen.

Für eine Batterie sind zwei Größen wichtig: Die Energiedichte gibt an, wie viel Energie pro Volumen oder Gewicht die Batterie speichern kann. Die Leistungsdichte beschreibt hingegen, wie schnell diese Energie aufgenommen oder abgegeben werden kann. Beides gleichzeitig zu optimieren, ist schwierig. Kang und Ceder scheinen das mit ihrem System nun jedoch geschafft zu haben: Ihr neuartiger Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulator besitzt eine ungewöhnliche, glasartige Schicht an der Oberfläche, die den Transport der Lithium-Ionen beschleunigt.

Kondensatoren haben beispielsweise wegen ihrer großen Oberfläche eine hohe Leistungsdichte und können die Energie schnell zur Verfügung stellen, verfügen jedoch wegen des kleinen Ladungsspeichers nur über eine niedrige Energiedichte. Batterien und Akkus - beispielsweise aus Lithium-Eisen-Phosphat (LiFePO4) - haben hingegen dank ihrer kompakten Bauweise meist eine hohe Energiedichte, können die Energie wegen ihrer vergleichsweise kleinen Oberfläche aber nur nach und nach abgeben. Und der Aufladeprozess dauert relativ lange, weil die Ionen in der Batterie lange brauchen, um ihre elektrische Ladung durch die Batterie zu transportieren.

10 Sekunden statt 6 Minuten

Der glasartige Lithium-Phosphat-Überzug beschleunigt den Lithiumionen.Transport. Man könne sich das vorstellen wie eine Umgehungsstraße, illustrieren die Wissenschaftler: Um sich schnell bewegen zu können, benötigen die Ionen Tunnel, die von der Oberfläche in das Material hineinführen. Die Eingänge dieser Tunnel sind für die Ladungsträger in herkömmlichen Akkus jedoch nur schwer erreichbar, so dass der Ionen-Verkehr sehr langsam fließt. Die neue Oberflächenstruktur schafft nun neue Wege zu den Eingängen und lässt den Stau so gar nicht erst entstehen.

Den Beschleunigungseffekt konnten Ceder und Kang bereits in einem kleinen Modellsystem demonstrieren: Eine kleine Batterie konnte innerhalb von 10 bis 20 Sekunden vollständig ge- oder entladen werden. Ohne die glasartige Oberfläche benötigte die gleiche Batterie hingegen sechs Minuten zum Laden. Die Beschichtung sei nicht besonders aufwendig, sagte Gerbrand Ceder im Gespräch mit SPIEGEL ONLINE. "Sie wächst chemisch im Produktionsprozess genauso wie der Rest des Akkus", sagt Ceder. Sie werde den Akku daher nicht verteuern.

Ein Handy könnte mit ihrer Technik in nur zehn Sekunden geladen werden, schreiben die Wissenschaftler. Große Batterien, die in Hybrid-Elektroautos verwendet werden, könnten demnach in nur fünf Minuten wieder einsatzbereit sein - im Vergleich zu derzeit sechs bis acht Stunden. Möglich wäre dies allerdings nicht an einer herkömmlichen Stromleitung, sondern nur an einem Anschluss mit deutlich höherer Leistung.

Zuviel Hitzeentwicklung beim Laden?

Ein weiterer Vorteil der beschichteten Lithium-Batterien wäre, dass ihr Material weniger schnell ermüdet, wenn sie auf- und entladen werden. Dies eröffne die Möglichkeit, etwa in Handys deutlich kleinere Batterien zu verwenden, erläutern die Wissenschaftler. Die Laufzeit allerdings wäre gleich, sagt Gerbrand Ceder. Bei Elektroautos könne zudem das Problem beseitigt werden, dass sich ihre Batterien relativ schnell entladen, wenn das Fahrzeug beschleunigt wird.

Jochen Schulz, Akkuforscher am Fraunhofer-Institut für Silicatforschung in Würzburg, hält die Entwicklung Kangs und Ceders im Gespräch mit SPIEGEL ONLINE für "hochinteressant, speziell für kleine Batterien" wie in Handys und Laptops. Bei größeren Batterien allerdings befürchtet er, dass thermische Probleme beim Laden auftreten könnten, da sehr hohe Energien benötigt werden. "Grundsätzlich wird bei den elektrochemischen Prozessen ein Teil der Energie aufgrund des ohmschen Widerstandes in Wärme umgewandelt, was zum Aufheizen der Batterie führt und durch die dadurch mögliche Überhitzung bei volumiösen Batterien Handlingprobleme ergibt." Ceder widerspricht dem: Die neuen Akkus seien genauso sicher wie alte. "Sie produzieren nicht mehr Hitze als herkömmliche Akkus", sagt er.

Laut den MIT-Wissenschaftlern, deren Forschung die US-Regierung unterstützt hat, wurde die Technik bereits an zwei Unternehmen in Lizenz vergeben. Weil die verwendeten Materialien an sich nicht neu seien, sondern nur die Art und Weise ihrer Verwendung, könnten Batterien mit dem neuen Prinzip "in zwei bis drei Jahren auf den Markt kommen", erklärte das MIT.

lub/AFP/ddp

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