Die Akkus der Zukunft
Der aktuelle Standard bei elektronischen Geräten, die über einen wieder aufladbaren Stromspeicher verfügen, ist derzeit noch der Lithium Ionen (Li-Ion) Akku. Mit dieser Technologie konnten die größten Probleme, die frühere Versionen noch hatten, weitgehend behoben werden. Bei Cadmium-, Nickel-Metallhydrid und anderen Akku Technologien, musste noch penibel darauf geachtet werden, die Batterie stets voll aufzuladen. Ansonsten drohte der Verlust eines Großteils der Kapazität oder sogar der Defekt. Dieser Memory Effekt gehört dank der Lithium Ionen Technologie inzwischen längst der Vergangenheit an. Die Entwicklung neuer Materialien hat jedoch inzwischen einen vielversprechenden Nachfolger hervorgebracht, der in praktisch jeder Disziplin überlegen ist: der Graphen-Akku. Geht es nach den Herstellern, werden die neuesten Modelle ihrer Geräte künftig nur noch mit dem revolutionären Akku-Typ ausgeliefert.
Kurz erklärt
Bei Graphen handelt es sich um ein neues, künstlich hergestelltes Material, das aus extrem dünnen Schichten Kohlenstoff besteht. Seine Entdecker sind Andre Geim und Konstantin Novoselov, die gemeinsam mit ihrem Team von Wissenschaftlern 2004 auf das merkwürdige Substanz stießen. Bereits sechs Jahre später wurde ihnen dafür der Nobelpreis für Physik verliehen. Tatsächlich spricht man auch von einem zweidimensionalen Werkstoff. Dieser basiert auf einer Graphit, also Kohlenstoff. Die Atome des Kohlenstoffs ordnen sich bei dem Material so an, dass eine einzige Schicht entsteht und dadurch ultradünne Folien möglich sind, die gerade einmal die Dicke eines einzigen Atoms besitzen. Besonders markant ist dabei die hexagonale, also wabenförmige Anordnung der einzelnen Atome, welche allerdings nur unter dem Elektronenmikroskop sichtbar wird. Sie sorgt dafür, dass das Material trotz der geringen Dicke stabil ist.
Vielfältige Einsatzmöglichkeiten
"Stabil" bedeutet in diesem Fall, dass das Wundermaterial rund 200 mal widerstandsfähiger ist als Stahl. Nicht nur Hersteller von Akkumulatoren, sondern auch Unternehmen aus vielen anderen Branchen, wie z. B. aus dem Flugzeugbau, versprechen sich verständlicherweise eine Menge von dem Werkstoff der Zukunft. Für den Einsatz in Akkumulatoren ist das Material deshalb so spannend, weil es Strom leitet und zugleich eine sehr große Fläche bietet - optimale Eigenschaften also, um es zum Speichern von Energie zu nutzen. Denn auf gleichem Raum kann dadurch eine deutlich höhere Kapazität erreicht werden als bei den bisherigen Pendants.
Die Vorteile der neuen Akku Technologien
Die handfesten Vorteile der revolutionären Technologie für den Konsumenten sind vielfältig. Ein Punkt, über den sich die Besitzer künftiger Geräte freuen dürfen, ist die extrem schnelle Ladezeit. Während bisherige Stromspeicher gerade mit hohen Kapazitäten oft über mehrere Stunden an der Steckdose hingen, sind bei einem Graphen-Akku nur noch ein Bruchteil davon notwendig. Zwischen 20 und 30 Minuten sollen es bei typischen Smartphone-Akkus nur noch sein.
Lange Haltbarkeit
Nicht nur die hohe Geschwindigkeit beim Laden spricht für die Ablösung von Li-Ion. Dem Nachfolger wird darüber hinaus eine deutlich höhere Lebensdauer zugeschrieben. Da es sich nämlich um Festkörperbatterien handelt, kann sich kein Elektrolyt durch häufiges Aufladen bilden. Dieses ist bisher noch regelmäßig für Kurzschlüsse und damit den Defekt eines Akkus verantwortlich.
Umweltschonend
Die Förderung von Lithium in den wenigen Minen weltweit, geht bislang mit erheblichen Beeinträchtigungen der Umwelt einher. Hinzu kommt, dass auch die Entsorgung der damit ausgestatteten Batterien große Probleme bereitet. Kohlenstoff hingegen kann synthetisch produziert werden. Die Entsorgung bzw. das Recycling ist dabei völlig unbedenklich für die Natur. Das ist ein ebenfalls wichtiges Kriterium für künftige Akku-Generationen und deren großflächiger Anwendung.
Prädestiniert für mobile Geräte?
Mobile Geräte, wie Laptops, Kameras, Smartphones und Tablets können von den Eigenschaften der neuen Akkus ganz besonders profitieren. Die Anbieter solcher Geräte arbeiten deshalb mit Hochdruck daran, den vielversprechenden Batterietyp weiterzuentwickeln und möglichst schnell zur Serienreife zu bringen. Ganz vorne mit dabei ist bereits seit einiger Zeit der Smartphone Hersteller Samsung. Das firmeneigene SAIT (Samsung Advanced Institute of Technology) vermeldete vor einigen Jahren, dass es Forschern gelungen sei, Graphen auf synthetischem Wege aus Siliciumdioxid zu gewinnen. Ein Problem, das es jedoch noch zu lösen gilt, ist die geringere Energiedichte, die man bei Akkus auf der Basis von Graphen bislang erreichen konnte. Während ein Li-Ion Akku z. B. 100 Watt Leistung liefert, erreicht der Bruder aus Graphen bei gleichem Volumen nur rund 65 Watt. In einem Smartphone, bei dessen Batterie die Bauweise möglichst klein, die Kapazität aber möglichst groß sein soll, ist das problematisch. Dafür erlaubt Graphen generell eine platzsparende Konstruktion und hat ein niedrigeres Gewicht.
Eine Frage der Wirtschaftlichkeit
Dass die nächste Generation der Stromspeicher auf Graphen basieren wird, gilt in Expertenkreisen inzwischen als sicher. Einige Jahre könnten allerdings noch vergehen, bis der neue Typ auch tatsächlich zum Standard wird. Zwar werden bereits nutzbare Prototypen von unterschiedlichen Herstellern angeboten. Damit die Kosten für die Produktion aber auf einem realistischen und vom Kunden akzeptierten Niveau liegen, dauert es noch ein wenig. In kleinen Auflagen können bereits nutzbare Modelle z. B. bei dem US-amerikanischen Start-up Real Graphene bestellt werden. Hier werden allerdings keine hohen Stückzahlen produziert. Sobald in den ersten größeren Werken reihenweise der neue Akku-Typ über das Band läuft, werden die Preise dafür sicher schnell purzeln. Schließlich ist das Material an sich deutlich billiger als die Rohstoffe, die bisher zum Einsatz kommen und mühsam aus dem Boden geholt werden müssen.
In Estland findet der Wunderwerkstoff bereits Anwendung. Das Start-up Skeleton Technologies verwendet ihn hier für seine Ultrakondensatoren. Im Vergleich zu bisherigen Superkondensatoren sind sie ca. vier mal leistungsstärker. Hier sorgt das Graphen dafür, dass Spannungsspitzen deutlich schneller kompensiert werden. Gleichzeitig ist eine "SuperBattery" in der Entwicklung, die speziell für Autos mit Elektroantrieb konzipiert sein soll. Aufgrund der gegenüber Li-Ion Akkus niedrigeren Kapazität, wird diese jedoch zunächst nur als Ergänzung dienen. Denn einen entscheidenden Nachteil der Elektromobilität kann die SuperBattery ausgleichen. Innerhalb von einigen Sekunden soll sie sich aufladen lassen. Niemand muss also noch Angst haben, auf längeren Reisen noch stundenlange Stopps einzuplanen. Für die Automobilindustrie könnte sich dadurch einiges zum Positiven verändern.
Welche Alternativen gibt es?
Neben Graphen gibt es noch einige weitere Ansätze, wie künftige Batterien aussehen könnten. In aktuellen Forschungen werden z. B. Energiespeicher aus Lithiumtitanat, Glas oder dem bereits in der Chip-Technologie bewährten Silicium erprobt. Welche Technologie sich am Ende durchsetzen wird und in unseren Elektrogeräten der Zukunft zum Einsatz kommen, wird sich in den nächsten Jahren herausstellen.
