Entwicklung von Akkukapazitäten und Technologien

Akku-Entwicklung
Akku-Entwicklung

Bereits kurz nach der Entdeckung des elektrischen Stroms begannen Physiker und Forscher an einer Speichermöglichkeit zu tüfteln.

Im Prinzip handelt es sich dabei von den ersten Anfängen bis zum modernen Hochleistungsakku um das gleiche Verfahren: Beim Aufladen wird die zugeführte Elektrizität in chemische Energie umgewandelt. Schließt ein Nutzer anschließend einen Verbraucher an, verläuft die Reaktion in umgekehrte Richtung und Strom wird wieder abgegeben.

Das 20. Jahrhundert – die Ära von Nickel und Cadmium

Bereits Mitte des 19. Jahrhundert entwickelten Physiker erste Akkus aus Bleiplatten, die in Säure getaucht wurden – ein Ansatz, der sich heute noch in konventionellen Autobatterien findet. Ende des Jahrhunderts kamen jedoch Forscher auf beiden Seiten des Atlantiks – darunter Thomas Edison – auf den Gedanken, die Leistung durch andere Metalle und die Verwendung von alkalischer Lauge zu steigern.

Anfangs setzten sie dabei auf Eisen und Nickel und erreichten damit bereits eine deutlich höhere Kapazität, die sie anschließend mit der Kombination aus Nickel und Cadmium bis auf das Doppelte eines Bleiakkus steigern konnten. Ab 1910 begann die Massenproduktion, während Ingenieure gleichzeitig die Konstruktion mehrfach überarbeiteten und verbesserten. Wegen seiner Vorteile wie Unempfindlichkeit, Energiedichte und Sicherheit entwickelte sich der nach seinen Elementen benannte NiCd-Akku zu dem wichtigsten Energiespeicher des Jahrhunderts.

Erst gegen Ende stellte sich mit der Entwicklung von Lithium-Akkus eine Alternative. Da Cadmium obendrein ein giftiges Schwermetall ist, ist dessen Einsatz – mit Ausnahme von einigen Sondernutzungen – seit 2004 in der EU verboten.

Höhere Kapazität und Leistung – Lithium als neuer Energieträger

Bereits seit den frühen 70er Jahren forschte die Technische Universität München an Lithium als neues Metall und konnte 1989 einen Prototyp als Patent anmelden. Kommerziell wurde die neue Technologie erstmals 1991 von Sony für seine Videokameras genutzt, um deren Laufzeit deutlich zu steigern. Seither ist der Bedarf an leistungsfähigen Akkus deutlich gestiegen, so dass massiv in die Forschung investiert wurde.

Experimentiert wird unter anderem an verschiedenen Metallverbindungen mit Lithium – darunter etwa Eisen-, Titan- und Cobaltverbindungen. Erste Varianten benötigten dabei stets ein flüssiges Elektrolyt und werden heute als Li-Ionen-Akkus bezeichnet. Ihnen stehen die später entwickelten Li-Polymer-Akkus gegenüber, bei denen eine Folie oder ein Gel zum Einsatz kommt. Dies vereinfacht die Produktion und ermöglicht es, durch dünnere Materialien größere Kapazitäten in kleineren Gehäuse unterzubringen.

Neue Ansätze für sehr leistungsfähige Akkus

Obwohl Lithium-Akkus eine Reihe bislang gravierender Probleme – insbesondere den gefürchteten „Memory-Effekt“ – beseitigen und über eine relativ hohe Kapazität verfügen, weisen sie auch einige Schwachpunkte auf. Einerseits ist der Rohstoff relativ teuer, andererseits sind sie für energieaufwendige Verwendungen wie Elektroautos wegen Ladezeit und Gewicht nur begrenzt geeignet. Deshalb läuft bereits seit längeren die Forschung an den sogenannten Post-Lithium-Technologien. Diese umfassen sowohl neuartige Feststoffspeicher wie verschiedene Kombinationen – darunter etwa Lithium-Luft, Natrium-Ionen oder Zink-Luft. Trotz Fortschritten insbesondere in der Materialforschung rechnen Experten jedoch nicht mit einer Serienreife vor 2020.

Im Gegensatz dazu führen neuartige Konstruktionen bestehender Li-Ionen-Akkus zu deutlichen Verbesserungen. So sollen 2018 Akkus mit einer bis zu doppelt so großen Kapazität bei geringerem Ausgangsgewicht oder mit einer Schnellladefunktion auf den Markt kommen. Technologien wie die Brennstoffzelle zählen Fachleute übrigens trotz Einsatz als elektrischer Energiespeicher nicht zu den Akkus. Der einfache Grund: Sie lassen sich zwar befüllen, aber nicht mittels Strom aufladen.

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