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Mehr Sicherheit bei Handy-Akkus

09.04.2008
Auf der Hannover-Messe vom 21. bis 25. April stellen Fraunhofer-Forscher einen neuartigen Lithium-Ionen-Akku vor. Er basiert auf einem festen Elektrolyten und ist im Unterschied zu gebräuchlichen Lithium-Ionen-Akkus nicht brennbar. Ein weiteres Exponat ist eine Redox-Flow-Batterie, mit der sich verschiedene Elektrodenmaterialien, Membranen und Elektrolyte flexibel testen lassen.

Sie versorgen Handys und PDAs mit Strom, und auch Laptops, Akkuschrauber und Rasenmäher hängen zunehmend von ihrer Power ab: Lithium-Ionen-Akkus. Der Vorteil dieser Energiespeicher liegt in ihrer hohen Energiedichte und der Spannung von bis zu vier Volt.

Einen Nachteil gibt es allerdings bei den Aspekten der Sicherheit – die organischen Elektrolyte sind brennbar und können sich leicht entzünden, was bereits zu einigen Bränden und Rückrufaktionen geführt hat. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Silicatforschung ISC in Würzburg haben die Sicherheit dieser Akkus optimiert. »Es ist uns gelungen, die brennbaren organischen Elektrolyte durch ein nicht brennbares, formstabiles Polymer zu ersetzen«, sagt Dr. Kai-Christian Möller, Gruppenleiter am ISC. »Dadurch verbessert sich die Sicherheit der Lithium-Ionen-Akkus erheblich. Zudem kann der Elektrolyt durch seine feste Substanz nicht auslaufen.«

Das Polymer, das die Forscher verwendet haben, stammt aus der Stoffgruppe der Ormocere® – eine Verbindung mit Silizium-Sauerstoffketten, die ein anorganisches Gerüst bilden, an dem organische Seitenketten hängen. Die große Herausforderung: Das Polymer muss die Lithiumionen gut leiten, die dem Handy und dem PDA den Strom liefern. »Üblicherweise sinkt die Leitfähigkeit eines Polymers, je fester es ist. Wir hatten jedoch viele Parameter, an denen wir drehen konnten – beispielsweise können wir Kupplungsstücke mit zwei, drei oder vier Armen verwenden. Mit den Ormoceren® haben wir daher mehr Möglichkeiten als bei einer einzelnen Kunststoffsorte«, sagt Möller.

Einen Prototyp des neuen Lithium-Ionen-Akkus gibt es bereits, die Forscher stellen ihn auf der Hannover-Messe vor (Halle 13, Stand E20). Bis der Energiespeicher in Laptops, PDAs und Akkuschraubern über den Ladentisch wandert, dürften allerdings noch drei bis fünf Jahre vergehen, schätzt der Experte. Die Leitfähigkeit des Polymers muss noch weiter verbessert werden, damit der Akku möglichst viel Strom in möglichst wenig Zeit abgeben oder aufnehmen kann. Dann allerdings sei es durchaus realistisch, dass er – gemeinsam mit einem Kondensator – selbst der Bleibatterie im Auto Konkurrenz macht.

Redox-Flow-Batterien speichern Solarenergie
Auf immer mehr Hausdächern sind sie mittlerweile zu sehen: Solarzellen. Auch in großem Maßstab wird die Energie der Sonne und des Winds zunehmend genutzt – über Windräder und Solarparks. Die Energie, die Sonne und Wind liefern, korrespondiert jedoch meist nicht mit dem Verbrauch: An sonnigen Tagen liefern die Solarzellen oft mehr Strom als nötig, bei wolkenverhangenem Himmel kann der Solarstrom knapp werden. Ebenso schwankt die Energiemenge, die aus den Windrädern gewonnen wird.

Bei privaten Solarstromanlagen speichern Bleiakkus die überschüssige Energie, bis sie benötigt wird. Der Nachteil dieser Speicher: Sie halten nur eine begrenzte Zyklenzahl und müssen üblicherweise nach drei bis fünf Jahren ausgestauscht werden. Bei Wind- und Solarparks übernehmen Pumpspeicherwerke die Zwischenspeicherung. Der Nachteil dabei: Diese Speicher haben einen vergleichsweise niedrigen Wirkungsgrad – es geht also viel Energie verloren. Darüber hinaus benötigen sie viel Platz. Eine Alternative zu Bleiakkus und Pumpspeicherwerken sind Redox-Flow-Batterien: Sie haben eine vergleichbare Energiedichte, ihre Lebensdauer ist jedoch fast zehnmal so hoch wie die der Bleiakkus. Noch sind sie allerdings recht teuer im Verhältnis zur Leistungs- und Energiedichte.

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Chemische Technologie ICT in Pfinztal wollen das künftig ändern: »Wir haben den Prototyp einer Redox-Flow-Batterie entwickelt, mit dem wir verschiedene Elektrodenmaterialien, Membranen und Elektrolyte möglichst flexibel testen können«, sagt Dr. Jens Tübke, Gruppenleiter am ICT. »Damit lassen sich unterschiedliche Redox-Systeme in einem Testaufbau vergleichen. So können wir die Vor- und Nachteile der jeweiligen Systeme sauber herausarbeiten. Anhand von Literaturdaten kann man die Systeme nicht vergleichen, da jeder naturgemäß in einem anderen Testaufbau misst.« Auf der Hannover-Messe stellen die Forscher die Testzelle erstmalig vor (Halle 13, Stand E20).

Dr. Kai-Christian Möller | Fraunhofer Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.isc.fraunhofer.de
http://www.ict.fraunhofer.de

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