Bahnbrechende Erfindung: Akkus aus Glas für eine energiehungrige Welt

Ein Forscherteam hat Akku-Zellen entwickelt, die sich sicherer und schneller laden lassen als Vorgängermodelle und zudem über eine weitaus höhere Energiedichte verfügen.

Von Prozessorherstellern über Smartphoneentwickler bis hin zur Automobilindustrie: Überall suchen Forscher nach einem Akku, der eine gute Leistung mit einer langen Lebensdauer verbindet. Eine vielversprechende Lösung wurde diesbezüglich im Wissenschaftsmagazin „Energy & Environmental Science“ von einem Team um John Goodenough, Professor an der Cockrell School of Engineering an der University of Texas in Austin, präsentiert. Der inzwischen 94-jährige Wissenschaftler hat bereits 1980 ein Material erfunden, das bis heute in den Kathoden von Lithium-Ionen-Akkus zum Einsatz kommt.

Der nun patentierte Prototyp basiert auf einem amorphen Festelektrolyt, auch „Glas-Elektrolyt“ genannt, und bietet gegenüber normalen Batterien zahlreiche Vorteile: Er verfügt über eine dreimal höhere Kapazität als ein Lithium-Ionen-Akku mit gleicher Größe, ermöglicht einen deutlich schnelleren Ladevorgang und funktioniert bei Temperaturen von -20 Grad Celsius. Zudem waren während der Testphase 1.200 Lade- und Entladezyklen möglich, ohne dass sich die Kapazität änderte. Dies deutet auf eine enorm lange Akkulebenszeit hin.

Frühe Akkus: Entweder schwer oder anfällig

Grundsätzlich können die Elektroden und das Elektrolyt in Batterien aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Viele Jahre waren beispielsweise Blei, Bleioxid und Schwefelsäure am beliebtesten. Diese herkömmliche Akkus auf Bleibasis finden sich in praktisch jedem Kraftfahrzeug wieder. Ihr großes Plus: Sie können mit hoher Spannung be- und entladen werden, sind haltbar, einfach zu bedienen, die Fertigungsmaterialien sind günstig und es werden keine komplexen Ladegeräte benötigt. Wegen ihres hohen Gewichts können sie aber beispielsweise nicht in der Luftfahrt oder mobilen Endgeräten eingesetzt werden.

Ein Team von Ingenieuren unter der Leitung von John Goodenough, Professor an der Cockrell School of Engineering, hat eine innovative Akkuzellentechnologie entwickelt. Bild: University of Texas.

Aufgrund dieser gravierenden Nachteile haben Wissenschaftler neue Methoden zur Speicherung von Elektrizität entwickelt. Dabei setzen sie beispielsweise auf den Einsatz von Nickel-Kadmium und später Nickel-Metallhydrid. Ein bedeutender Nachteil dieser Akkus ist jedoch, dass sie sehr schnell an Leistungsfähigkeit verlieren, wenn sie nicht vollständig auf- beziehungsweise entladen werden. Dies ist einer der Gründe, warum sie in vielen Geräten inzwischen durch Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Akkus ersetzt wurden.

Glas-Elektrolyt verhindert Bildung von Dendriten

Letztgenannte bieten eine größere Energiedichte und sind zudem leichter als Nickel- oder gar Bleiakkus. Zu den weniger vorteilhaften Eigenschaften gehören allerdings die Notwendigkeit komplexer Ladevorrichtungen sowie eine hohe Anfälligkeit bei Tiefenentladungen. Zudem besteht bei Lithium-Akkus stets die Gefahr, dass sich Metall vom Elektrolyt löst, was zur Bildung von sogenannten „Dendriten“ (Metallbrücken, die Kurzschlüsse und schließlich eine Selbstentzündung verursachen können) führt. Nicht zuletzt durch in Hosentaschen explodierende Smartphones ist diese Problematik in den letzten Jahren mehrmals in den Fokus der Öffentlichkeit gerutscht.

Bei Festelektrolyt-Akkus hingegen tritt dieses Phänomen nicht auf. Bestätigen sich in weiteren unabhängigen Tests auch die anderen bislang beobachteten Eigenschaften, könnten sie also die Vorteile bisheriger Batterien auf sich vereinigen und gleichzeitig ein Gros ihrer Nachteile eliminieren. Für Verbraucher bedeuten die Forschungsergebnisse an der Cockrell School of Engineering im Idealfall somit schon bald bessere Akkus für mobile Endgeräte oder auch eine höhere Reichweite für Elektrofahrzeuge bei einer gleichzeitig kürzeren Ladezeit.

Autor: Marcin Bójko

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