Neuartige Akkumulatoren - Alternativen zu Lithium-Akkumulatoren

Inhalt

 

1. Grundlagen

2. Akku aus Kohlenstoff

3. Lithium-Graphen-Akku

3.1 Lithium-Ionen-Heteroatom-Akku

4. Nanoporen-Akku

5. Aluminium-Ionen-Akku

6. Kunststoffbatterie aus Freiburg

6.1 Materialien

6.2 Ladezyklen + Kapazität

6.3 Technische Daten

6.4 Weitere Vorteile

6.5 Kosten

6.6 Aktuelle Stand und wie geht es weiter 

9. Quellen

 

 

 

1. Grundlagen

 

Es gibt eine große Auswahl an Akkumulatoren für die Speichern von Energie in Form von Strom. Während früher Bleibatterien viel Verwendung fanden, geht die Tendenz aktuell in Richtung der leistungstärkeren Lithium-Ionen-Akkumulatoren. Sie können bei gleicher Größe und Gewicht ein Vielfaches an Energie speichern, im Vergleich zu einem herkömmlicher Bleiakkumulator. 

 

Ein weiterer Vorteil ist der geringe Memoryeffekt. Dieser Effekt bewirkt, dass ein teilentladener Akkumulator, nach dem Wiederaufladen nur noch einen Teil seiner vollen Ladekapazität besitzt.

 

Der Nachteil bestimmter Lithium-Ionenakkumulatoren ist die Explosionsgefahr bei Überladung oder Kurzschluss. Diese Gefahr kann minimiert werden, indem der Akku elektronisch überwacht wird, und das über- bzw. unterschreiten bestimmter Schwellwerte vermieden wird.

 

Eine Lithiumalternative sind neue Lithium-Ionenakkumulatoren, die als Trennfolie zwischen den Polen (Separatorfolie) keine Kunststoff, sondern eine Keramikschicht verwenden. Diese ist auch bei mehreren 100 Grad stabil und schmilzt nicht.

  

Auf weitere innovative neue Akkumulatoren-Technologien und Neuentwicklungen in diesem Bereich, wird nachfolgend eingegangen.

 

 

2. Akku aus Kohlenstoff

 

Die Japanische Firma Power Japan Plus hat einen neuartigen Akkumulator auf Kohlenstoffbasis entwickelt. Er besteht aus einem neuartigen Material Carbon Complex, das aus Baumwolle gewonnen wird. Es soll in Zukunft das Lithium ablösen.  

 

Der neuartige Akku heißt Ryden Dual Carbon und soll dem herkömmlichen Lithium-Ionen-Akku in vielen Bereichen überlegen sein: 

 

  • Schnelleres aufladen als bisher
  • Mehr Ladezyklen, ohne an Kapazität abzubauen.
  • Ausgelegt für mehr als 3000 Ladezyklen
  • Keine Inhaltstoffe wie: Schwermetalle oder Edelmetalle
  • Am Ende seiner Lebenszeit kann er recycelt werden
  • Keine Feuergefahr
  • Kein Kühlsystem, da er bei gleichbleibender Temperatur arbeitet

 

Der neuartige Akkumulator soll das erste mal in Indianapolis auf der Electric Drive Transportation Association Conference vorgestellt werden. Die Konferenz findet vom 19. - 24. Mai. 2014 statt.

 

Wenn der Akkumulator das verspricht was er hält, wäre er eine ideale Energiespeicherlösung für die großen benötigten Strommengen eines Elektroautos.

 

 

3. Lithium-Graphen-Akku

 

Graphen ist Kohlenstoff von nur einer Atomlage, der ein bienenwabenförmiges Muster hat. Durch diese Struktur ergibt sich im Vergleich zu anderen Werkstoffen eine größere Oberfläche. Ein weiterer Vorteil von Graphen ist seine extrem gute Leitfähigkeit.

 

Forschern am IIT ist es nun gelungen eine Kupferelektrode, die in einem Lithiumakku verwendet wird, mit Graphen zu beschichten.


Dadurch konnte die Speicherkapazität von 100 Wh/kg auf 190 Wh/kg fast verdoppelt werden. Wenn diese Akkumulatoren im industriellen Maßstab gefertigt werden könnten, wäre es einem Tesla-S möglich bei gleicher Akkupackgröße, anstatt den angegebenen 400-600 km an Reichweite mit einer Aufladung, knappe 760 - 1140 km weit zu fahren. 



3.1 Lithium-Ionen-Heteroatom-Akku

 

Einen neuen Lithium-Ionen-Akkumulator hat Huawei auf dem 56th Battery Symposium vorgestellt. Dieser neuartige Akku soll zehnmal schneller geladen werden können, als bisher auf dem Markt erhältliche Typen. Ihre halbe Kapazität erreichen sie bereits nach wenigen Minuten.


Bei der Vorstellung wurde ein 600mAh-Akku in2 Minuten auf 68% geladen. Ein anderer Akku mit 3000mAh und 620Wh/L war nach 5 Minuten zu 48% geladen.


Um das zu erreichen, hätten die Entwickler  Heteroatome die an die Graphit-Anode gebunden. Dies verkürze die Ladezeiten, die Energiedichte und die Lebensdauer würden davon nicht beeinträchtigt.


Wann der Akku auf den Markt kommen soll ist noch unklar. Für die Verbreitung des Elektroautos wäre dieser Akku ein riesen Gewinn, da das Aufladen dann in Zeiten liegen würde, die auch für einen normalen Tankstopp benötigt wird. Auf Tankroboter oder Akkuwechseltechnologien könnte so verzichtet werden.



4. Nanoporen-Akku


Ein Akkumulator der aus einer sehr großen Anzahl an Nanozellen besteht, haben Forscher an der University von Maryland entwickelt. Die Einzelzellen sind so klein, das eine große Zahl nebeneinander auf eine Briefmarke passen. Auch wenn er nicht unbedingt mehr Energie/Volumen speichern kann als ein herkömmlicher Akku, kann durch die extrem kleinen Einzelzellen, jeder Quadratmillimeter an Volumen genutzt werden.



5. Aluminium-Ionen-Akku


Forschern an der Stanford University ist es gelungen einen Ionenakku mit Aluminium anstatt dem bisher verwendeten teuren und seltenen Lithium zu bauen. 


Als Elektrolyt wird ein Salz verwendet, das bei Zimmertemperatur flüssig ist, und in einer flexiblen Polymerschicht enthalten ist.


Der Vorteil liegt in seiner Biegsamkeit, der schnellen Aufladung innerhalb von 60 Sekunden und einer sehr hohen Anzahl an Ladezyklen von mehr als 7500.


Die Spannung soll bei 2 Volt liegen und ist damit 1.7V niedriger als bei einem herkömmlichen Lithium-Ionenakku. 


Der Akku kann durchborht und stark gebogen werden, ohne das die Gefahr besteht, das der Akku feuer fängt, einer der großen Nachteile von Lithium-Ionen-Akkus.


Im folgenden Video zeigen die Forscher den Aluminium-Ionenakku.

 

6. Kunststoffbatterie aus Freiburg

 

Prof. Dr. Birgit Esser vom Institut für Organische Chemie, hat mit Ihrer Arbeitsgruppe und dem Batterieforschungszentrum MEET in Münster eine Batterie entwickelt, die innerhalb von 3 Minuten aufgeladen werden kann und mehr als 10.000 Ladezyklen aushält.

 

 

6.1 Materialien

 

Die Kathode der Batterie besteht aus einem organischen Polymer. Im Gegensatz dazu verwenden andere Batterie Kobald, oder andere Schwermetalle. 

Die Anode besteht momentan noch aus Lithium. Hier wird noch an einer Alternative gearbeitet die ebenfalls aus organischen Polymer besteht, damit die Batterie später komplett aus Kunststoff besteht. 

 

 

6.2 Ladezyklen + Kapazität

 

In Versuchen wurde festgestellt, das bei der Batterie nach 10.000 Ladezyklen nur ein Verlust von 7% der Kapazität festzustellen war. Das bedeutet, das die Batterie wesentlich mehr als 10.000 Ladezyklen aushält.  Im Vergleich dazu hält ein heutiger Handyakku nur ca. 1000-2000 Ladezyklen durch, bevor Sie deutlich in ihrer Kapazität nachlassen.

 

Die hohe Ladezyklenfestigkeit wird erklärt durch eine Wechselwirkung innerhalb des organischen Materials, was zu einer Stabilisierung des Materials im geladenen und entladenen Zustand führt.

 

Die spezifische Kapazität liegt momentan unter der von Lithium-Ionen-Batterien und beträgt 30mAh/g bezogen auf das gesamte Kathodenmaterial.

 

 

6.3 Technische Daten

 

  • Batteriespannung - 3,6V
  • Anode - Lithium
  • Kathode - organische Polymer
  • Ladezyklen - 10.000 (Bei 10.000 = 7% Kapazitätsverlust)
  • Spezifische Energie (Enthaltene Kunststoff) - 160Wh/kg
  • Spezifische Energie (Gesamte Kathodenmaterial) -  80WH/kg
  • Spezifische Kapazität - 60mAh/g
  • Spezifische Energie im Vergleich zu Lithium-Ionen - Ausgeglichen, da sich die Batterien wesentlich schneller wieder aufladen lassen
  • Parallelschaltung möglich - Dadurch Erhöhung der spezifischen Kapazität/Energie

 

 

6.4 Weitere Vorteile

 

Ein weiterer Vorteil dieser Batterie ist die Biegsamkeit, die mit Aluminiumfolie vergleichbar ist.

Wenn es gelingt auch die Anode aus Kunststoff herzustellen, gäbe es eine Batterie die komplett ohne Schwermetalle auskommt.

Für die Zukunft ist geplant auch Kunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen zu verwenden, wodurch die Batterie auch ohne Erdöl auskommen würde. 

 

 

6.5 Kosten

 

Die Synthese des benötigten Kunststoffes und der anderen benötigen Stoffe ist nicht teuer, wodurch sich die Kosten im Bereich heutiger aufladbarer Batterien einpendeln müssten.

 

 

6.6 Aktuelle Stand und wie geht es weiter

 

Momentan wurden Patente für die neue Technologie angemeldet. Sobald die Patente genehmigt wurden, werden Gespräche mit der Industrie geführt um eine mögliche Produktion aufzubauen. Drücken wir die Daumen!