Von Aluminium bis Graphen – Fortschritte in der Batterieentwicklung

Der regelmäßige Wechsel der Batterie bei über einer Milliarde IoT-Geräten stellt eine ernstzunehmende Herausforderung dar – sowohl im Hinblick auf die Kosten als auch auf die Logistik. Aus diesem Grund benötigen Entwickler auch wiederaufladbare Akkus, die die aus der Umgebung gewonnene Energie – zum Beispiel von Solarzellen oder Temperaturgefällen – direkt nutzen können.

Egal ob in Produktionsumgebungen, im Smart Home oder im Fahrzeug: mit dem IoT nimmt die Anzahl der Sensoren und Funkknoten ständig zu. Zur Stromversorgung dieser Systeme wird eine passende Batterietechnologie immer wichtiger. Adobe Stock Nr.216828003 von elenabsl

In den letzten Jahren wurden NiCd- (Nickel-Kadmium) und NiMH-Zellen (Nickel-Metall-Hydrid) zunehmend durch Lithium-basierende Batterien ersetzt, da diese eine höhere Energiedichte aufweisen können. Doch auch diese bringen Herausforderungen mit sich – besonders im Kontext von industriellen Anwendungen oder Elektromotoren.

Wiederaufladbare Lithium-Batterien neigen zu Dendrit-Wachstum, was zu Kurzschlüssen und im schlimmsten Fall zu Bränden führen kann. Die kleinen Nadeln wachsen während des Aufladens und können früher oder später einen direkten Kontakt zwischen Anode und Kathode herstellen. Der Transport der Zellen von Produktionsstandorten im Ausland kann sich ebenfalls schwierig gestalten, da die Gefahr besteht, dass sich die Batterien im Frachtraum eines Flugzeugs entzünden könnten. Außerdem bieten Lithium-Zellen nur eine begrenzte Anzahl an Ladezyklen. Für Verbraucheranwendungen wie Mobiltelefone, mit einer durchschnittlichen Nutzungsspanne von zwei bis drei Jahren, ist das vollkommen ausreichend. Für industrielle Anwendungen mit einer erwarteten Lebensdauer von 10 bis 20 Jahren stellt es hingegen ein Problem dar. Zudem nimmt auch die Nachfrage nach geringerer Größe und längerer Lebensdauer immer weiter zu. Forscher und Batteriehersteller suchen daher nach neuen Möglichkeiten, eine Zelle mit höherer Energiedichte und verbesserter Sicherheit bereitzustellen.

Der Einsatz von Festkörper-Technologie

Eine Möglichkeit bietet Festkörper-Technologie. Lithium-Akkus haben eine Energiedichte von etwa 160 Wh/l und enthalten ein dickflüssiges Polymer zum Transport der Lithium-Ionen. Dieses kann jedoch auslaufen und es besteht die Gefahr des Dendrit-Wachstums. Aus diesem Grund ist es auch nicht möglich die Zellen per Oberflächenmontage auf eine Platine zu löten, was höhere Produktionskosten zur Folge hat.

Festkörper-Batterien hingegen verfügen über eine feste Schicht, die das Wachstum von Dendriten verhindert. Diese erschwert jedoch den Transport der Ionen zwischen Anode und Kathode – ein wichtiger Aspekt, denn je freier sich die Ionen bewegen können, desto geringer ist die Ladezeit der Zelle.

Bild 1: Zwei Lithium-Akkus von TDK Mouser

TDK hat einen Lithium-Festkörper-Akku (Bild 1) auf den Markt gebracht, der für die Oberflächenmontage geeignet ist. Der Akku nutzt Keramikschichten zum Transport der Ionen. Laut Herstellerangaben übersteht der Akku bis zu 1000 Ladezyklen. Weiterhin gibt TDK an, dass der Akku bei einer Nennspannung von 1,4 V eine Kapazität von 100 µAh hat und somit eine Stromaufnahme von wenigen Milliampere bietet. Er verfügt über ein kompaktes EIA-1812-Gehäuse und eignet sich unter anderem für Zeitgeber, Bluetooth-Beacons, Wearables oder IoT-Knoten mit Energy Harvesting.

Bild 2: Toshibas wiederaufladbarer SCiB-Akku (Super-Charge-Ion-Battery) Mouser

Neben TDK hat auch Toshiba einen Festkörper-Akku (Bild 2) entwickelt. Dieser enthält eine Anode aus Titan-Niob-Oxid und soll eine Ladezeit von nur wenigen Minuten haben, wodurch er insbesondere für den Bau von Elektrofahrzeugen interessant ist. Nach Volumen verfügt die SCiB-Zelle über eine doppelt so große Speicherkapazität wie die aktuelle Generation an Lithium-Batterien mit Graphit-Anoden (eine Zelle mit 20 Ah hat eine Energiedichte von 176 Wh/l) und ist ab nächstem Jahr verfügbar.

Samsung arbeitet ebenfalls an Lithium-Akkus, bei denen Kugeln aus Graphen und Siliziumdioxid als Beschichtung für Anode und Kathode dienen. So lässt sich nicht nur das Dendrit-Wachstum unterbinden, auch die Energiedichte soll sich verdoppeln. Die patentierte Technologie soll bald in Akkus für das IoT und Mobiltelefone zum Einsatz kommen.

Welche technologischen Fortschritte und neuen Ansätze es in der Batterietechnologie gibt, erklärt der Beitrag auf der folgenden Seite.

Die passende Batterietechnologie

Forscher nehmen jedoch auch zahlreiche andere Materialien für Batteriezellen in den Fokus – von Aluminium und Natrium über Magnesium bis hin zu Graphen. Die Mitarbeiter des Clemson Nanomaterials Institute in South Carolina (USA) haben beispielsweise einen Aluminium-Akku entwickelt, der günstiger und zuverlässiger als die Lithium-Ionen-Technologie sein könnte. Mithilfe von Aluminiumfolie und einer Graphen-Anode lässt sich beispielsweise eine Batterie konstruieren, die über eine Energiedichte von 200 Wh/kg verfügt und bis zu 10.000 Ladezyklen überlebt.

Bild 3: Aktuelle Material-Entwicklungen für die Batterieelektroden beinhalten beispielsweise Graphen, eine Kohlenstoff-Modifikation mit zweidimensionaler Struktur in bienenwabenförmiger Anordnung. Adobe Stock Nr.120082561 von hawanafsu

Die Akkuzelle verwendet Graphen als Elektrode (Bild 3), um die elektrische Ladung von Aluminium-Ionen zu speichern, die sich im Elektrolyten befinden. Die richtige Anordnung der Aluminium-Ionen innerhalb des Graphen ist jedoch entscheidend, um eine höhere Akkukapazität zu erreichen und die Batterieleistung zu verbessern.

Im Rahmen der Entwicklung eines wiederaufladbaren Festkörper-Akkus hat Spanien ein Drei-Millionen-Euro-Forschungsprojekt ins Leben gerufen. Auch dieser basiert auf Aluminium. Das Salbage-Projekt (Schwefel-Aluminium-Batterie mit hochentwickelten polymeren Gel-Elektrolyten) verfolgt das Ziel, einen Festkörper-Akku mit einer Energiedichte zu entwickeln, die die heutiger Lithium-Ionen-Zellen um mehr als das Fünffache übersteigen könnte. Der spanische Batteriehersteller Albufera Energy Storage leitet das Projekt und involviert mehrere europäische Unternehmen und Universitäten. Der neue Akku soll eine Energiedichte von 1.000 Wh/kg zu einem relativ niedrigen Preis (etwa 60 Prozent der heutigen Lithium-basierenden Zellen) bieten.

Magnesium ist ebenfalls eine immer beliebtere Wahl für Akkutechnologie. Forscher an der University of Houston haben eine Möglichkeit gefunden, Magnesiumbatterien herzustellen, die sicherer sein sollen als die aktuellen Lithium-Ionen-Akkus und über die doppelte Kapazität verfügen. Der Schlüssel ist das Aufweiten einer Kathode aus Titandisulfid, um ganze Magnesiumchlorid-Moleküle einzubringen, statt Energie aufwenden zu müssen, um molekulare Verbindungen aufzubrechen. Auf diese Weise lassen sich Akkus mit einer Kathodenkapazität von 400 mAh/g (im Vergleich zu 100 mAh/g für frühere Magnesiumbatterien) entwickeln – doppelt so viel wie die Kapazität kommerzieller Lithium-Ionen-Akkus (normalerweise 200 mAh/g). Diese Akkus liefern zurzeit jedoch nur eine geringe Spannung von etwa 1 V, während Lithium-basierende Akkus für IoT-Anwendungen 3 bis 4 V liefern.

Natrium ist ein weiteres vielversprechendes Material für Akkus der nächsten Generation. Schweizer Forscher haben den Prototyp eines 3-V-Natrium-Feststoff-Akkus mit einer potenziell höheren Energiedichte als Lithium-Zellen entwickelt. Hierzu ist ein fester ionischen Leiter nötig, der nicht nur unschädlich, sondern auch chemisch und thermisch stabil ist und den Transport des Natriums zwischen der Anode und der Kathode ermöglicht. Die Forscher haben entdeckt, dass eine bestimmte Bor-Verbindung, ein closo-Boran, das freie Zirkulieren der Natrium-Ionen ermöglicht. Da das closo-Boran ein anorganischer Leiter ist, wird das Risiko eliminiert, dass sich die Batterie beim Wiederaufladen entzündet. Die Herausforderung ist hierbei, einen engen Kontakt zwischen den drei Schichten der Batterie herzustellen: der Anode aus festem, metallischem Natrium, der Kathode aus einem Natrium-Chrom-Oxid-Gemisch und dem Elektrolyten, dem closo-Boran.

Auch das Start-up Faradion in Sheffield (UK) möchte eine Natrium-Flüssig-Batterietechnologie für Elektroroller und -autos auf den Markt bringen, und Oxis Energy in Oxford hat Lithium-Schwefel-Zellen für ähnliche Anwendungsbereiche entwickelt.

Prognose

Bild 4: Entwicklungen zu Festkörper-Akkus sollen auch für mehr Sicherheit sorgen und die Brandgefahr senken, die von Flüssigakkus wie hier bei einem Mobiltelefon ausgeht. Adobe Stock Nr.90721503 von weerapat1003

Um bessere Lösungen für IoT- und Elektrofahrzeuganwendungen zu liefern, ist die Entwicklung von Alternativen zu heutigen Lithium-Ionen-Flüssig-Polymerakkus unerlässlich. Erste oberflächenmontierbare Lithium-Festkörper-Akkus und schnell aufladbare Batterieversionen in Elektrofahrzeugen kommen bereits auf den Markt. Lösungen auf Basis alternativer Materialien wie Natrium und Schwefel sind bald marktreif. Und auch vollkommen neue Technologien mit besserer Leistung tauchen am Horizont auf. Sie alle sollen eine höhere Dichte, längere Ladezyklen und schnelleres Aufladen ermöglichen und das Entzündungsrisiko eliminieren (Bild 4), um Systemdesigner in Zukunft mit der nötigen Energie zu versorgen.

(aok)