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Editorial: Sieger Lithium

Ein Element revolutioniert die Batterientechnologie
AAA

Sie wurden entwickelt, um Handys und Laptops leichter bauen zu können, und dennoch einen vergleichbar langen Betrieb ohne Nachladen zu ermöglichen: Lithium-Ionen-Akkus. Doch die ersten Generationen der Lithium-Ionen-Akkus waren problematische Zeitgenossen: Zwar hatten sie eine deutlich höhere Kapazität als alle anderen Akkutypen. Doch konnte man ihnen insbesondere im vollgeladenen Zustand fast schon zusehen, wie sie ihre Kapazität verloren. Durch Nachladen ließ sich nur ein kleiner Teil der verlorenen Ladung wieder ersetzen.

Es handelte sich dabei nicht um die auch von anderen Akkutypen im vollgeladenen Zustand bekannte hohe Selbstentladung, sondern um schleichende Selbstzerstörung. Und höhere Temperatur - etwa verursacht durch das Tragen von Handys am Körper oder durch die Abwärme der leistungsfähigen Chips bei Laptops - beschleunigte diesen Prozess weiter. Lade- und Entlade-Vorgänge setzten dem Akku zusätzlich zu. Und so war mancher Lithium-Ionen-Akku schon nach gut einem Jahr unbrauchbar geworden.

Als ob das noch nicht genug war, fanden manche Lithium-Akkus ein gar feuriges Ende. Durch Produktionsfehler konnten interne Kurzschlüsse entstehen, die zum raschen Aufheizen der betroffenen Zelle führten, worauf deren Bestandteile in unvorhergesehener Weise aufs Heftigste miteinander reagierten. Am Ende zerriss das Gehäuse explosionsartig.

Gute Seiten

Doch Lithium-Ionen-Akkus haben auch gute Seiten. So gibt es beim Lade- und Entladevorgang keine unerwünschten Nebenreaktionen. Praktisch der gesamte Strom, der beim Ladevorgang in den Akku fließt, kann beim Entladen wieder entnommen werden. Maßvolle Lade- und Entladeströme vorausgesetzt, ergibt sich heraus ein sehr hoher Wirkungsgrad. Der Akku wird im Betrieb kaum warm.

Zudem lassen sich beim Lithium-Ionen-Akku verschiedene Materialien für Anode, Kathode und Separator kombinieren. Dadurch lassen sich die Akkus gezielt auf verschiedene Anwendungszwecke hin optimieren, beispielsweise auf hohe Energiedichte, hohe Leistungsdichte, lange Lebensdauer oder hohe Sicherheit.

Während anfangs sicher die Energiedichte im Blickpunkt der Batterieentwickler stand, achten diese anscheinend zunehmend auch auf die anderen Parameter. Und so ist es keine Seltenheit mehr, wenn ein vor zwei Jahren erworbener Lithium-Ionen-Akku heute trotz intensiver Benutzung immer noch über 80 Prozent seiner Nennkapazität aufweist. Gegenüber der Anfangszeit ist das eine Verbesserung um Faktoren.

Leistungsprotz

In jüngster Zeit haben mehrere Hersteller Prototypen oder gar Serienexemplare von Lithium-Ionen-Akkus vorgestellt, die zigtausend Ladeyklen überstehen, voraussichtlich mindestens zehn Jahre halten und auch dann nicht explodieren, wenn man einen Nagel durch den Akku schlägt. Zwar ist deren Energiedichte niedriger, dafür erreicht die Leistungsdichte Spitzenwerte von mehreren Kilowatt pro Kilogramm.

Damit sind Hochleistungsakku denkbar, die bei nur 20 kg Gewicht - kaum schwerer als eine herkömmliche Starterbatterie im Auto - bis zu 80 kW abgeben können. Zusammen mit einem leistungsfähigen und effizienten Elektromotor wird daraus ein Hybridantrieb, der für ca. eine Minute 100 PS an Zusatzleistung bringt. Danach ist der Akku so weit entladen, dass der Innenwiderstand stark steigt und die entnehmbare Leistung sinkt. Für normale Beschleunigungsvorgänge zum Beispiel beim Überholen ist die genannte Zeitdauer aber mehr als ausreichend.

Da im Gegenzug Anlasser, Lichtmaschine und herkömmliche Starterbatterie entfallen können, wird das Auto nicht einmal viel schwerer. Während eine Verstärkung des Benzin- oder Dieselmotors um 100 PS unweigerlich den Verbrauch erheblich nach oben treibt, kann der elektrische Zusatzantrieb sogar zur Verbrauchssenkung beitragen, insbesondere aufgrund der Rückgewinnung von Energie beim Bremsen. Zudem erlaubt das Zusatzdrehmoment des Elektromotors, die Gänge höher zu übersetzen und so die typischen Betriebsdrehzahlen des Benzin- oder Dieselmotors verbrauchsmindernd zu senken. Entsprechend groß ist das Interesse der Autohersteller, vor allem für die Fahrzeuge der Oberklasse, wo die Kunden großzügige Leistungsreserven erwarten.

Hohe Kosten

Mit Preisen von derzeit typisch 1 000 Euro pro speicherbarer Kilowattstunde sind Lithium-Ionen-Akkus leider alles andere als billig. Werden tatsächlich 10 000 Zyklen erreicht, relativieren sich die Kosten zwar auf 10 Cent pro genutzter Kilowattstunde, doch bleibt es bei den hohen Investitionskosten. Es bleibt aber zu hoffen, dass mit zunehmender Anwendungsvielfalt und weiter stark steigenden Stückzahlen die Preise sinken werden. Damit werden Lithium-Ionen-Akkus eine vollkommen neue Form der Mobilität ermöglichen, weit über die tragbaren elektronischen Kleingeräte hinaus, mit denen ihre Karriere begann.

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