Aktuelle und zukünftige Akkutechnologien

Die mobilen Helfer wie Notebooks, PDAs oder Mobiltelefone sind wahre Multitalente und erfreuen sich zunehmender Beliebtheit - wie die Umsatzentwicklungen im Notebook- und Telekommunikations-Bereich zeigen. Nachteile der tragbaren elektronischen Geräte sind die begrenzte Einsatzdauer und das oft hohe Gewicht. Die Schuldigen sind in der Regel die Energieversorger - die Akkumulatoren. So kann zum Beispiel das Gewicht eines Lithium-Ionen-Akkus 40 Prozent des Gesamtgewichts eines Handys (Nokia 6210) ausmachen. Bei Notebooks (Dell Latitude D800) liegt der Wert bei etwa 15 Prozent. Je nach Typ variieren die Laufzeiten der Geräte von sechs Tagen bei Handys bis zu vier Stunden bei Notebooks.

Die Akkus erzeugen in einem chemischen Prozess elektrische Energie. Durch das begrenzte Volumen der Energiezellen und das eingesetzte chemische Verfahren ist die Leistung der mobilen Stromquellen beschränkt. In der Praxis bedeutet dies, dass die Akkus über eine endliche Zeit nur einen bestimmten Strom liefern können und somit die Laufzeit von mobilen Geräten bestimmen. Daher sollten die Energiespender für den mobilen Einsatz folgende Kriterien erfüllen:

• lange Laufzeit ohne ständiges Nachladen

• geringes Gewicht

• minimales Volumen

• schnelle Auflademöglichkeit

• hohe Lebensdauer (Ladezyklen)

• geringer Preis

• unproblematische Entsorgung

In unserem Artikel erklären wir detailliert die aktuellen Akkutechnologien Blei-Säure, Nickel-Cadmium, Nickel-Metallhydrid und Lithium-Ionen/Polymer. Außerdem geben wir einen Ein- und Ausblick in/auf die neuen Hoffnungsträger als Energielieferanten im mobilen Umfeld: die Brennstoffzelle und den Zink-Luft- sowie Zink-Matrix-Akku.

Prinzipielle Funktionsweise eines Akkumulators

Akkus, auch Sekundärelemente genannt, zählen zu den elektrochemischen Energiewandlern. Sie können chemisch gespeicherte Energie in elektrische Energie umwandeln - und umgekehrt. Letzteres können herkömmliche Batterien (Primärelemente) nicht.

Ein Akku funktioniert wie folgt: In einem Behälter befindet sich eine elektrisch leitende Flüssigkeit (Elektrolyt). Darin sind zwei unterschiedliche leitfähige Metalle (Elektroden) eingetaucht. Sie erzeugen durch die verschiedenen chemischen Zusammensetzungen untereinander eine Spannung. Diese Eigenschaft von Metallen entdeckte Alessandro Volta 1793 und definierte sie in der "Voltaschen Spannungsreihe". Sie besagt: Je weiter zwei bestimmte Metalle in der Spannungsreihe auseinander liegen, desto höher ist die elektrische Spannung zwischen diesen Elementen.

Im Elektrolyt trennt eine poröse Wand (Separator) die beiden Metallelektroden (Anode und Kathode), um einen Kurzschluss durch Berührung zu vermeiden. An der Anode herrscht Elektronenüberfluss und an der Kathode Elektronenmangel. Diese Elektronendifferenz definiert die elektrische Spannung. Ein Verbraucher zwischen den Elektroden ermöglicht den Elektronen, die Spannung abzubauen. Den Elektronenfluss von der Anode zur Kathode bezeichnet man als elektrischen Strom. Die Strommenge, die ein Akku über ein Zeitintervall abgeben kann, heißt Kapazität.

Für einen ständigen Elektronenfluss muss der Stromkreislauf auch im Elektrolyt geschlossen sein. Das übernimmt der elektrochemische Prozess im Elektrolyt durch Oxidation und Reduktion der entsprechend verwendeten Metalle. Es entsteht ein Ionen-Strom, der im Elektrolyt von der Kathode durch den Separator zur Anode fließt. Wird der Stromkreislauf unterbrochen, stoppt der Prozess der "Entladung" - allerdings nicht vollständig. Bedingt durch einen temperaturabhängigen Reaktionsprozess im Akku wandern Ladungen zwischen den Elektroden und entladen das chemische System. Man spricht dabei von Selbstentladung. Je nach Akkutyp beträgt sie bis zu 30 Prozent der gespeicherten Kapazität pro Monat.

Um einen Akku aufzuladen, pumpt ein Ladegerät Elektronen von der Kathode zur Anode und reaktiviert die entladenen Elektroden. Der Lade- und Entladevorgang lässt sich je nach Akkutyp bis zu etwa 1000 Mal wiederholen.

Historie der Akkutechnologie I

Die Geschichte der Akkutechnologie begann mit Luigi Galvani (1737-1798) und Alessandro Cont di Volta (1745-1827) und der Erforschung der Elektrizität. So entdeckte Galvani 1789, dass Froschbeine zucken, wenn man sie mit zwei unterschiedlichen Metallen berührt. Daraus entwickelte er einen direkten Zusammenhang zwischen Elektrizität und Muskelbewegung und entdeckte damit die ersten elektrochemischen Prozesse.

Etwa zehn Jahre später konstruierte Volta die erste brauchbare elektrochemische Spannungsquelle (Batterie). Dazu verwendete er Kupfer- und Zinkstreifen, die durch eine in Salzlösung getränkte Pappe getrennt waren.

Die Urform des Akkumulators baute 1802 Johann Wilhelm Ritter. Der unter dem Namen "Rittersche Säule" bekannte Versuchsaufbau konnte mit elektrischem Strom geladen werden und gab diesen bei der Entladung wieder ab. Die Säule bestand aus Karton- und Kupferscheiben, die in einem Gefäß mit einer Salzlösung lagen.

Um 1850 experimentierten die Wissenschaftler Sinsteden und Plante mit den ersten Akkumulatoren auf der Basis von Blei, Schwefeldioxid und Bleidioxid. Die verwendeten Bleiplatten konnten durch mehrmaliges Auf- und Entladen - das so genannte Formatieren - elektrische Energie speichern und an einen Verbraucher abgeben. Die erste industrielle Nutzung von Bleiakkus läutete Faure 1880 mit einem Patent ein. Er bestrich eine Bleiplatte mit einer Paste aus Schwefelsäure und Bleipulver und erreichte nach dem ersten Aufladen bereits eine sehr hohe Kapazität (Energieleistung).

Historie der Akkutechnologie II

Als Pioniere der Nickel-Cadmium-Akkus gelten die beiden Erfinder Thomas Alva Edison und Waldemar Jungner. Sie forschten auf dem Gebiet der elektrochemischen Energiespeicher und meldeten 1901 die ersten Patente für Nickel-Eisen- und Nickel-Cadmium-Akkumulatoren an. Sie gelten auch als Urväter der Zink-Luft-Akku-Technologie. Der entscheidende Schritt zur kommerziellen Nutzung von NiCd-Akkus gelang aber erst Neumann im Jahr 1948 mit der patentierten Beschreibung einer gasdichten Gehäuseform für diese Akkutechnologie.

Bedingt durch die hohen Umweltschutzauflagen ersetzten die Akkuhersteller Anfang der 90er Jahre das hochgiftige Schwermetall des NiCd-Akkus durch einen metallisch gebundenen Wasserstoff. Damit begann der Siegeszug der Nickel-Metallhydrid-Akkus.

Mit der steigenden Verbreitung mobiler IT-Geräte und dem damit verbundenen Wunsch nach leichten und leistungsstarken Akkumulatoren mit geringen Abmessungen entwickelte die Industrie Mitte der 90er Jahre den Lithium-Ionen-Akku. Mit der fortschreitenden Miniaturisierung der Geräte verlangten die Hersteller nach variablen Akkugehäuseformen der Li-Ion-Technologie. So entstand 1993 der Lithium-Polymer-Akku, der heute vorwiegend in Kleingeräten wie Handys oder PDAs zum Einsatz kommt.

Große Hoffnung setzen die Akkuentwickler auf die Brennstoffzelle als zukünftigen leistungsfähigen Energiespender. Bereits 1839 stellte der Physiker Sir Robert Grove die Weichen für diese Technologie. Er entwickelte den ersten funktionsfähigen Prototyp. Dieser bestand aus zwei Platin-Elektroden, die sich in separaten Glaszylindern befanden. Grove füllte einen Zylinder mit Sauerstoff und den anderen mit Wasserstoff und tauchte sie in eine verdünnte Schwefelsäure (Elektrolyt). Dieser Aufbau erzeugte eine messbare Spannung und gilt als Urform der Brennstoffzelle. Nach dieser Entdeckung geriet die Brennstoffzellen-Technologie lange Zeit in Vergessenheit. Erst 1950 entdeckten das Militär und die Raumfahrttechnik die kompakte und leistungsfähige Energiequelle wieder. Seit Beginn der 90er erforschen die Wissenschaftler auch die Nutzung der Brennstoffzellen-Technologie im industriell-kommerziellen Umfeld - mit guten Zukunftsaussichten.

Blei-Säure-Akku

Die positive Elektrode eines herkömmlichen offenen Blei-Säure-Akkus besteht aus Bleidioxid (PbO2), als negatives Elektrodenmaterial kommen Bleiplatten zum Einsatz. Zwischen den Elektrodenplatten befindet sich ein Separator, der aus Glasfaser, Mikroglas oder PVC bestehen kann. Als Elektrolyt dient in einer Flüssigkeit gelöste Schwefelsäure. Mittlerweile ersetzen die Entwickler aus Effizienzgründen die Flüssigkeit durch eine gelartige Masse, die eine rasche Ausgasung des gebundenen Elektrolyts verhindert. Als Bauform kommt ein geschlossenes gasdichtes System zum Einsatz. Dies schützt den Akku vor rascher "Austrocknung" und verlängert die Lebensdauer. Darüber hinaus vereinfacht der geschlossene Blei-Säure-Akku die Wartung und verhindert bei unsachgemäßer Behandlung beziehungsweise mechanischer oder elektrischer Überbeanspruchung das Auslaufen des Elektrolyts. Als Sicherheitsmechanismus dient ein Ventil, das bei einem kritischen Überdruck innerhalb des Akkus anspricht.

Die Vorteile von Bleiakkus sind die Hochstromfähigkeit und die niedrigen Herstellungskosten, da nur sehr preiswerte Grundmaterialien wie Blei und Schwefelsäure verwendet werden. Eigenschaften, die die Nutzungsdauer des Akkus verkürzen, wie Memory-Effekt oder Lazy-Battery-Effekt, besitzt die Blei-Säure-Akkutechnologie nicht. Demgegenüber steht die geringe spezifische Energie von 30 bis 50 Wh/kg. Zusätzlich schränkt das hohe Gewicht des Akkus das Einsatzgebiet ein. Ein weiteres Manko ist die problematische Umweltverträglichkeit des Schwermetalls Blei.

Verwendung findet der Bleiakku vorwiegend in der Automobilindustrie und in der IT-Industrie als Energielieferant für Notstromversorgungen (USV). In diesen Einsatzgebieten besitzt der Blei-Säure-Akku - wie keine vergleichbare Akkutechnologie - die Fähigkeit, in sehr kurzer Zeit große Ströme zu liefern. Die Lebensdauer moderner gasdichter Bleiakkus beträgt bei sachgerechter Nutzung zirka sechs Jahre.

Nickel-Cadmium-Akku

Wie der Name suggeriert, besteht ein Nickel-Cadmium-Akkumulator aus der negativen Cadmium- und der positiven Nickel-Hydroxid-Elektrode. Als Elektrolyt kommt Kalium-Hydroxid zum Einsatz. Die Renaissance erlebte der NiCd-Akku mit dem Beginn der Entwicklung von mobilen PCs. Vor allem die ersten Notebooks profitierten von den Vorteilen der Akkutechnologie. Sie liefert kurzfristig hohe Energiemengen für die stromhungrigen Komponenten wie CPU, Display oder Festplatte. Zusätzlich verfügt der Akku über eine lange Lebensdauer. Ein weiterer positiver Aspekt sind die geringen Herstellungskosten durch die Verwendung preisgünstiger Materialien wie Nickel und Cadmium.

Auf der Negativseite der NiCd-Akkus steht die geringe spezifische Energie mit 40 bis 60 Wh/kg im Vergleich zu aktuellen Akkus wie NiMH oder Lithium-Ion mit doppelt und dreifach so hohen Werten. Zusätzlich muss man bei der Verwendung der NiCd-Technologie den so genannten Memory-Effekt beachten.

Ein Umweltproblem stellt das verwendete Elektrodenmaterial Cadmium dar. Es gehört zu den hochgiftigen Schwermetallen, so dass eine gasdichte Gehäuseform und gesonderte Entsorgung der Zellen am Ende des Lebenszyklus gewährleistet sein muss.

Durch die sehr hohe Belastbarkeit der NiCd-Akkus kommen sie heute vorwiegend in Geräten mit hohem Strombedarf zum Einsatz. Dazu zählen in erster Linie Akkuwerkzeuge. Aber auch in schnurlosen Telefonen und Camcordern werden sie auf Grund der geringen Herstellungskosten gerne eingesetzt.

Der Memory-Effekt

Ein typisches negatives Merkmal von Nickel-Cadmium-Akkus ist der so genannte "Memory-Effekt". Diese Eigenschaft hängt mit dem verwendeten Cadmium an der negativen Elektrode zusammen, denn das Material neigt unter bestimmten Bedingungen zur Kristallbildung.

Dieses Phänomen tritt auf, wenn der Akku vor der vollständigen Entladung wieder aufgeladen wird. Als Folge der Auskristallisierung verringert sich die Kapazität des Akkus und liefert weniger Spannung an der entsprechenden Stelle der Entlade-Kennlinie (Memory-Effekt). Der Akku kann dann ein Gerät nicht mehr über die gesamte Zeitspanne seiner Betriebsdauer mit genügend hoher Spannung versorgen, denn das Gerät schaltet beim Erreichen der Geräteabschaltspannung vorzeitig ab (siehe Bild: Memory-Effekt). Auch zu geringe Ladeströme jenseits der Spezifikationen führen zum unerwünschten Memory-Effekt.

Diese negative Eigenschaft der NiCd-Zellen ist reversibel. Durch ein mehrmaliges definiertes Entladen mit einem geringen Strom bis zur vorgeschriebenen Entladespannung und anschließendem Laden lässt sich der Memory-Effekt beseitigen. Dabei sind spezielle Akkuladegeräte mit Refreshing-Funktion hilfreich. Diese prozessorgesteuerten Akkulader können den aktuellen Ladezustand eines Akkus ermitteln und ein entsprechendes Ladeprogramm - auch für vorgeschädigte Akkus - mit den notwendigen Parametern starten. Nach dieser Prozedur erreicht der NiCd-Akku wieder seine volle Nennkapazität.

Nickel-Metallhydrid-Akku

Mit der zunehmenden Anforderung von mobilen Geräten an Akkus, hohe und konstante Ströme über einen langen Zeitraum zu liefern, entwickelten die Ingenieure den Nickel-Metallhydrid-Akku. Seine Elektroden sind von einem alkalischen Elektrolyt umgeben. Der Pluspol der Energiezelle enthält Nickel-Hydroxid, und der Minuspol besteht aus einer Metalllegierung, die Wasserstoff binden kann. Der Aufbau gasdichter NiMH-Akkus entspricht prinzipiell denen von NiCd-Zellen.

Durch seine Materialzusammensetzung liefert der NiMH-Akku bei identischem Volumen und gleichem Gewicht wie ein NiCd-Akku eine höhere spezifische Energie. Sie beträgt 60 bis 80 Wh/kg. Allerdings verzichtete man auf die Verwendung von giftigen Schwermetallen, so dass die Entsorgung der Akkus weniger problematisch ist als bei NiCd-Akkus. Ein gravierender Nachteil der NiMH-Technologie besteht im kapazitätsmindernden Lazy-Battery-Effekt - ähnlich dem Memory-Effekt bei NiCd-Zellen.

Auf Grund der guten Umweltverträglichkeit und einer sehr hohen Kapazität umfasst das Einsatzgebiet des NiMH-Akkus vorwiegend Handys, Camcorder, Notebooks und Audio-Geräte.

Weiterentwicklung des NiMH-Akkus

Der Elektronikkonzern NEC hat im April 2004 eine "Organic Radical Battery" vorgestellt, die in nur 30 Sekunden vollständig aufgeladen werden kann. Dagegen besitzen herkömmliche NiMH-Akkus im Schnellladeverfahren eine Ladezeit von 30 Minuten. Bei der weiterentwickelten Akku-Technologie ersetzen organische Polyradikale als aktives Material das bisher verwendete Metallhydrid.

Als "radikale" Elemente werden kurzlebige und hochreaktive Verbindungen bezeichnet. Sie besitzen überwiegend nur ein einzelnes freies Elektron, das für den stabilen Molekülzustand (Elektronenpaarbindung) ein weiteres Elektron benötigt. Durch den Einsatz des radikalen Polymers hat der Akku die Fähigkeit, Energie schnell aufzunehmen und ebenso schnell wieder abzugeben. Zusätzlich ist die Ladungsmenge beziehungsweise Kapazität der neuen Akku-Technologie mit der, der NiMH-Technologie vergleichbar.

Zur Anwendung soll die NEC-Batterie in Notfallsystemen bei Stromausfällen für Server kommen. Auch ein Einsatz in Elektroautos sei möglich. Da keine teuren Materialien verwendet werden, soll der Preis für die neue Akku-Technologie in der Serienfertigung sich nicht von dem des NiMH-Pendants unterscheiden. Wann erste Polyradikale-Akkus auf den Markt kommen steht noch nicht fest.

Der Lazy-Battery-Effekt

Der reversible Lazy-Battery-Effekt ist prinzipiell mit dem Memory-Effekt vergleichbar. Er entsteht durch eine nicht vollständige Entladung des Akkus während des Betriebs beziehungsweise durch eine Dauerladung mit einem zu geringen, nicht spezifikationskonformen Strom. Ähnlich wie beim Memory-Effekt bilden sich Kristalle an der positiven Nickelhydroxid-Elektrode aus. Allerdings bricht die Spannung beim Lazy-Battery-Effekt nicht erst an der Stelle der Teilentladung ein, sondern sie fällt über die gesamte Entladezeit geringfügig ab.

Der Lazy-Battery-Effekt wirkt sich weit weniger dramatisch aus als der Memory-Effekt. Die Akkuspannung liegt beim Entladen zwar unter der Normspannung, allerdings verkürzt das die Betriebsdauer nur geringfügig. Um diese negative Eigenschaft zu beseitigen, muss der Akku zwei bis drei Mal hintereinander vollständig entladen werden. Wie schon beim Memory-Effekt kann hier ein modernes Ladegerät mit entsprechenden Lade- und Entladefunktionen helfen, die ursprüngliche Leistungsfähigkeit des Akkus wiederherzustellen.

Lithium-Ionen-Akku

Der Lithium-Ionen-Akku ist die jüngste Evolution in der Akkutechnologie. Er besitzt mit 90 bis 110 Wh/kg die höchste spezifische Energie unter den wiederaufladbaren Systemen. Ein zusätzliches Plus besteht in der geringen Selbstentladung und somit über lange Lagerfähigkeit ohne erneutes Aufladen der Zellen. Ein besonderer Vorteil der Lithium-Ionen-Technologie ist. dass weder Memory-Effekt noch Lazy-Battery-Effekt auftreten. Auch liefert die Lithium-Ionen-Zelle über den gesamten Entladezeitraum eine nahezu konstante Ausgangsspannung, die deutlich über der Nennspannung von zirka 3,6 V liegt.

Anders als NiCd- oder NiMH-Akkus verfügt ein Li-Ion-Energiespeicher über eine Systemspannung von typisch 3,6 V statt 1,2 V. Verantwortlich dafür ist der besondere Aufbau. So enthält der Li-Ion-Akku als Material für die Kathodenelektrode eine Lithiumverbindung, die aus Cobalt-, Mangan- oder Nickel-Oxid bestehen kann. Die Anode setzt sich aus einer Graphitverbindung zusammen. Die Isolierung zwischen den beiden Elektroden besteht aus einer mikrodurchlässigen Kunststoffmembran. Als Elektrolyt dient ein gelöstes Lithium-Salz in einem organischen Lösungsmittel.

Lithium ist ein hoch reaktives Leichtmetall, so dass bei starker Erwärmung das leicht entzündliche Material explodieren kann. Aus diesem Grund verwenden die heutigen Akkus - wie oben beschrieben - ein organisches Elektrolyt. Trotzdem besitzt jeder Lithium-Ionen-Akku aus Sicherheitsgründen ein Ventil zum Druckabbau und ein besonders druckfestes Gehäuse. Zusätzlich muss jeder Lithium-Akku mit einer speziellen Ladeelektronik ausgestattet sein. Sie verhindert einen zu hohen Stromfluss vom und zum Akku, regelt das Lade- und Entladeverhalten und schützt die Energiezelle vor Überhitzung. Alle diese Sicherheitsmaßnahmen schlagen sich im Preis nieder. So ist eine wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterie gegenüber einem NiMH-Akku um zirka 30 Prozent teurer.

In Bezug auf Gewicht und Volumen hat die Lithium-Ionen-Technologie das höchste Energiespeichervermögen gegenüber den herkömmlichen Akkus wie NiCd und NiMH. Allerdings erreichen die Lithium-basierenden Akkuzellen nicht die Kapazität. Die bevorzugten Einsatzgebiete für Lithium-Ionen-Akkus sind Handys und Notebooks.

Lithium-Polymer-Akku

Die Lithium-Polymer-Akkus besitzen prinzipiell den gleichen Aufbau wie Lithium-Ionen-Zellen - mit einem Unterschied: Sie enthalten keine wässrigen Elektrolyte und sind daher auslaufsicher. Den flüssigen Reaktionsstoff ersetzten die Entwickler durch ein festes beziehungsweise Gel-artiges Polymerelektrolyt. Die Lithium-Polymer-Akkus verfügen über die gleiche hohe spezifische Energie, wie das Lithium-Ionen-Pendant.

Die klassischen Gehäuseformen wie zylindrische oder rechteckige Metallgefäße sind mit der Einführung der Lithium-Polymer-Technologie passe. So lassen sich jetzt durch Aluminium- oder metallisierte Kunststofffolien nahezu alle Formen von Lithium-Polymer-Akkus realisieren. Komplizierte Hohlräume von Geräten lassen sich auf diese Weise mit einem Li-Polymer-Akku mit wenig Aufwand ausfüllen.

Zink-Luft-Akku

Die Entwicklung von Zink-Luft-Akkus steckt noch in den Kinderschuhen, ist aber keinesfalls neu. Der grundlegende Aufbau eines Zink-Luft-Akkus setzt sich aus einer negativen Zink-Elektrode und einer positiven Aktivkohle-Elektrode zusammen. Die negative Elektrode besteht aus einem mechanisch gepressten Zinkschwamm oder -Pulver. Mit ihrer großen Oberfläche gewährleistet sie eine optimale chemische Reaktion durch leichtes Freisetzen von Elektronen. Als aktives Reaktionsmittel des Pluspols fungiert der Luftsauerstoff. Deshalb verwendet man als Elektrodenmaterial speziellen Kohlenstoff (Aktivkohle in Form von Sauerstoffmembranen), der den Luftsauerstoff absorbiert und dem Reaktionsprozess zuführt. Je nach Einsatzgebiet und Bauform des Akkus verwendet der Hersteller eine flüssige oder pastöse Kalilauge als Elektrolyt. Alle verwendeten Komponenten sind frei von umweltbedenklichen Giften und lassen sich leicht recyceln. Die Zink-Luft-Technologie wird daher als umweltfreundlich eingestuft. Darüber hinaus sind die eingesetzten Materialien preiswert.

Der Nachteil des Zink-Luft-Akkus besteht darin, dass er ein offenes chemisches System bildet. Denn beim Entladen muss Außenluft an die Reaktionsfläche gelangen, und beim Laden muss der freigesetzte Sauerstoff entweichen. In luftdichter Umgebung ist der Akku daher nicht einsetzbar.

Ein Vorteil des Akkus ist dagegen seine geringe Selbstentladung im versiegelten (luftdichten) Zustand. Lagerhaltungen ohne Elektrolyt sind sogar bis zu zehn Jahre möglich. Ein weiterer Pluspunkt für die Zink-Luft-Technologie ist die hohe elektrische Kapazität. Sie beträgt bis zum Dreifachen eines vergleichbaren Lithium-Ionen-Akkus. Außerdem braucht man keine negativen Eigenschaften wie Memory- oder Lazy-Battery-Effekt bei der Nutzung der Akkus zu beachten.

Zink-Luft-Technologie wird wegen der hohen spezifischen Energie von bis zu 350 Wh/kg vorwiegend als Batteriezelle in Hör- und Personenrufgeräten eingesetzt. Als wiederaufladbare Akkuzelle kommt sie für stationäre Energiespeichersysteme, wie unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV), zum Einsatz. Erste Prototypen für den mobilen Einsatz, wie in Notebooks, befinden sich noch in der Entwicklungsphase. Wann es serienreife Produkte geben wird, steht noch nicht fest.

Zink-Matrix-Akku

Die Firma Intel und das Unternehmen Zinc Matrix Power demonstrierten auf dem Intel Developer Forum im September 2004 erste Prototypen von Akkus mit der Zink-Matrix-Technologie. Diese basiert auf einem speziellen wieder aufladbaren Zink-Alkaline-Akkumulator. Die Zink-Matrix-Architektur soll im Vergleich zu Li-Ionen-Akkus die doppelte Laufzeit von Notebooks ermöglichen.

Der Zink-Matrix-Akku besteht aus einer Metalloxid-Kathode und einer Zink-Matrix-Anode. Als Elektrolyt dient ein Polymer auf alkalischer Wasserbasis. Die Kathode setzt sich aus Metalloxid-beschichteten Partikeln zusammen, die ein Bindestoff zusammenhält. Um die mechanische Stabilität der Kathode zu verbessern, benutzt der Hersteller die Faserverbund-Technologie. Auch die Anode des Zink-Matrix-Akkus ist ein Kombinationswerkstoff. Dabei sind kleine Zinkkörner in einer Polymer-Kunststoffmatrix verschmolzen. Als Separatoren zwischen Kathode und Anode dienen ein bis zwei Millimeter dicke Zellulose-Lamellen, die Wasserstoff-permeable Poren enthalten.

Bei der Entladung der Zink-Matrix-Zelle entstehen an der Anode Zinkoxid und Hydroxid-Ionen. Durch die Zink-Matrix-Struktur können die Ionen ungehindert zur Anode gelangen, dagegen wird das Freisetzen von Zinkoxid in das Elektrolyt verhindert. Der Vorteil dieser Technik: Bei der Rekombination beziehungsweise beim Ladevorgang entstehen keine unliebsamen Zinkoxid-Brücken, so genannte "Dendrites", die die Separatoren durchdringen und einen Kurzschluss verursachen können. Darüber hinaus können sich die Anode und die Kathode nahezu vollständig regenerieren, so dass mehr als 100 Lade- und Entladezyklen die Kapazität des Akkus nicht signifikant beeinflussen. Zusätzlich wird das Entstehen von Sauer- und Wasserstoffgasen in der Akkuzelle verhindert. Eine Explosionsgefahr durch Überdruck ist damit ausgeschlossen.

Die Zink-Matrix-Akkutechnologie besteht aus umweltverträglichen und recycelbaren Materialien. Da überwiegend preiswerte Materialien zum Einsatz kommen, sind die Herstellungskosten gering. Der Akku bildet ein geschlossenes luftdichtes System und zeichnet sich durch niedrige Selbstentladung ohne Memory-Effekt sowie hohe Energiedichte beziehungsweise elektrische Kapazität aus.

Erste Prototypen der Zink-Matrix-Zellen liefern bei 1,6 V Spannung eine Kapazität von 10 Ah. Der Energie-Inhalt eines Akkupacks mit acht verbundenen Zellen liegt bei zirka 120 Wh. Das reicht, um ein Notebook bis zu zehn Stunden mit genügend Energie zu versorgen. Erste Samples von Akkus mit Zinc-Matrix-Technologie soll es ab Mitte 2005 geben. Die Massenfertigung avisiert Zinc Matrix Power in Zusammenarbeit mit Intel für das Jahr 2006.

Kenndaten aktueller Akkutechnologien

In der folgenden Übersicht vergleichen wir die im Artikel beschrieben Akkutechnologien. Es werden nicht nur die typischen elektrischen Kenngrößen der Akkuzellen (vergleichbar mit Mignon-Zelle, Format AA) aufgelistet, sondern auch die Vor- und Nachteile der entsprechenden Technologie erwähnt.

Lagerung und Pflege von Akkus

Auch wenn ein Akku im geladenen Zustand längere Zeit unbenutzt bleibt, der chemische Prozess innerhalb einer Akkuzelle bleibt weiterhin aktiv und beeinflusst die Eigenschaften der Zelle negativ. Diese so genannte Selbstentladung bewirkt, dass innerhalb weniger Wochen beziehungsweise Monate eine "volle" Akkuzelle einen Teil ihrer elektrischen Kapazität verliert. Zusätzlich beschleunigen hohe Temperaturen den unerwünschten Ladungsverlust eines Akkus. Um der Selbstentladung entgegenzuwirken, sollte der Akku trocken und bei kühler Umgebungstemperatur lagern. Darüber hinaus verhindert ein Nachladen des Akkus in bestimmten Zeitintervallen eine Tiefenentladung und verlängert somit die Laufdauer des Energiespenders.

Positiv auf die Brauchbarkeit und Kapazität von Akkus wirkt sich ein effektiver Aufladeprozess aus. Hierbei hilft die moderne Elektronik in entsprechenden Ladegeräten. Ein prozessorgesteuertes Ladegerät kann zum Beispiel unterschiedliche physikalische Eigenschaften einer Akkuzelle (Strom, Spannung, Temperatur) während des Ladeprozesses sammeln und mit den spezifischen gespeicherten Parametern beziehungsweise Kennlinien vergleichen. Damit ist gewährleistet, dass die Energiezelle stets mit der optimalen Spannung beziehungsweise optimalem Strom aufgeladen wird. Darüber hinaus erkennt eine intelligente Ladeelektronik das Ladeende des Akkus und kann anschließend in den Modus der Erhaltungsladung übergehen.

Weitere Vorteile von professionellen Ladegeräten sind Regenerierungs-, Konditionierungs- und Pflegeprogramme für den jeweiligen Akkutypen. Sie bestehen aus speziellen Lade- und Entladezyklen mit abgestimmten elektrischen Parametern für den Akku. Damit helfen die Programme des Ladegeräts, die Lebensdauer einer Sekundärzelle entscheidend zu verlängern, und sie erhalten zusätzlich die Fähigkeit des Akkus, eine bestimmte Menge an elektrischer Energie chemisch zu speichern.

Mittlerweile kommen im Notebook ausschließlich Lithium-basierende Akkus zum Einsatz. Bedingt durch die ständigen chemischen Prozesse und die Zusammensetzung der Akkuzelle ist die Lebensdauer sehr begrenzt. Sie erreicht je nach Einsatz und Pflege maximal 24 Monate. Ähnliche Zeitspannen gelten auch für Nickel-Cadmium- und Nickel-Metallhydrid-Akkus. Lediglich Bleiakkus stechen mit einer Funktionsdauer von bis zu 60 Monaten hervor. Die Lebensdauer eines Akkus wird ermittelt, wenn dieser nur noch 80 Prozent seiner Nennkapazität erreicht.

Die Brennstoffzelle

Im Bereich mobiler Energieversorgung besitzt die Brennstoffzellen-Technologie gegenüber den klassischen Verfahren wie NiCd, NiMH und Lithium-Ion das größte Zukunftspotenzial. Die Brennstoffzelle kehrt das herkömmliche Verfahren der Elektrolyse, das unter Zuführung von elektrischer Energie Wasser in die Gase Sauerstoff und Wasserstoff aufspaltet, um. Der so gewonnene Wasserstoff dient als Energieträger bei Verbrennungsprozessen (Knallgaseffekt).

Der prinzipielle Funktionsprozess der Brennstoffzelle verwendet Luftsauerstoff und Wasserstoff als Energielieferant. In einem chemischen Verfahren - der so genannten "kalten Verbrennung" - wandelt sie die beiden Elemente in elektrische Energie um. Als Abfallprodukt entstehen Wärme und Wasser. Diese Methode erzeugt doppelt so viel Energie wie das klassische Verbrennungsverfahren.

Die Brennstoffzelle ist in ihrer Struktur sehr einfach aufgebaut. Die wichtigste Komponente einer Brennstoffzelle ist eine semipermeable elektrolytische Membran auf Polymerbasis. Sie verhindert, dass die beiden Reaktionsstoffe Wasserstoff und Luftsauerstoff sich zu Wasser verbinden, da sie nur Kerne der Wasserstoffatome (Protonen) passieren lässt. Die Elektroden der Anode und Kathode dienen als Katalysator für den Wasserstoff beziehungsweise Luftsauerstoff.

Der Prozess der "kalten Verbrennung" läuft wie folgt ab: In der Kathode der Brennstoffzelle befindet sich der Sauerstoff und in der Anode der Wasserstoff. Die elektrolytische Membran trennt den Wasserstoff in Elektronen und Ionen (geladene Atomkerne) auf. Die Wasserstoff-Ionen wandern durch die Membran und wollen mit dem Sauerstoff zu Wasser oxidieren. Dazu fehlen aber die auf der Wasserstoff-Seite befindlichen Elektronen, die durch die isolierende Membran von der Sauerstoff-Seite getrennt sind. Verbindet man nun die Kathode und die Anode einer Brennstoffzelle, so kann ein nutzbarer elektrischer Strom fließen, der die Elektronendifferenz ausgleicht. Der elektrochemische Prozess in der Energiezelle läuft so lange bis sie einen der Reaktionsstoffe aufgebraucht hat.

Vorteile der Brennstoffzellen-Technologie sind ein hoher Wirkungsgrad und eine hohe Energiedichte gegenüber den aktuellen Akkusystemen. Ein Nachteil ist der geringe Strom, den die Brennstoffzelle liefert. So benötigen derzeitige Prototypen von Brennstoffzellen in mobilen Geräten immer noch Energiepuffer in Form von Akkus, um kurzzeitig hohe Ströme an das elektrische System zu liefern. In diesem Aufbau besteht die Aufgabe der Brennstoffzelle lediglich im stetigen Nachladen der Akkuzellen.

Prototypen von Brennstoffzellen für Notebooks haben Firmen wie Motorola, NEC und Toshiba bereits in den Jahren 2000 bis 2003 vorgestellt. Die ersten kommerziell nutzbaren Zellen wollen die Hersteller Ende 2004 auf den Markt bringen.

DMFC-Brennstoffzelle für Notebooks

Wie einige Entwicklungen zeigen, ist die Technologie der Brennstoffzelle für den IT-Bereich mittlerweile weit fortgeschritten. So stellte das Samsung Advanced Institute Of Technology (S.A.I.T) im April 2004 eine Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC) mit einer Kapazität von 100 Wh vor, die ein Notebook bis zu zehn Stunden lang mit Strom versorgen kann. Dagegen beträgt die typische Kapazität eines Lithium-Ionen-Akkus 60 Wh.

Der elektrochemische Prozess läuft in einer 100 Kubikzentimeter fassenden Methanol-Tank-Cartridge ab. Das anodenseitig zugeführte Methanol reagiert an einer speziell entwickelten Katalysatormembrane mit Luft. Sie strömt von der Kathodenseite zum Reaktionsort. An der Membrane der Brennstoffzelle entstehen Ionen und Elektronen, die eine definierte Potentialdifferenz und somit einen bestimmten Stromfluss erzeugen. Um eine hohe Effizienz des Minikraftwerks zu gewährleisten, haben die Samsung-Ingenieure eine meso-poröse Kohlenstoff-Membrane entwickelt. Sie besitzt eine 3-Nanometer-Struktur für die entsprechenden Katalysator-Partikel und soll den Methanol-Verbrauch gegenüber bisherigen Brennstoffzellen um die Hälfte verringern. Dies ermöglicht kompaktere Bauformen oder längere Laufzeiten bei gleicher Baugröße.

Brennstoffzellen für Notebooks in der Praxis

Neben Samsung entwickelt auch NEC Direkt-Methanol-Brennstoffzellen (DMFC) für den mobilen Einsatz. Der Hersteller stellte im Oktober 2004 einen Prototyp für den praxistauglichen Einsatz in Notebooks vor. Diese Brennstoffzelle besitzt ein Füllvolumen von 250 Kubikzentimeter Methanol. Für ein Notebook, bestehend aus einem 1.1-GHz-Pentium-M-Prozessor, bestückt mit 256 MByte Speicher und ausgestattet mit einer 40-GByte-Festplatte sowie einem 12-Zoll-TFT, lieferte die Brennstoffzelle Energie für zirka zehn Stunden.

Um die Laufzeit des Energieerzeugers optimal auf den Einsatz in Notebooks abzustimmen, integrierten die NEC-Entwickler ein Kontrollsystem in die Brennstoffzelle. Je nach Strombedarf während des Bootvorgangs oder Herunterfahrens des Systems regelt ein Steuerungssystem die Menge an elektrischer Energie aus der Brennstoffzelle. Damit ist gewährleistet, dass der Stromerzeuger jederzeit effektiv arbeitet.

NEC beabsichtigte, erste serienreife Brennstoffzellen bereits Ende 2004 auf den Markt zu bringen. Allerdings wurde der Termin auf 2006/2007 verschoben. Als Gründe nannte der Hersteller die unklaren beziehungsweise fehlenden Sicherheitsbestimmungen bei Transport von Brennstoffzellen in Flugzeugen und anderen öffentlichen Verkehrsmitteln. Zusätzlich fehlen gemeinsame Herstellerstandards, um diese neue Form von Energielieferanten erfolgreich im Markt zu etablieren. Darüber hinaus müssen die notwendigen Vertriebskanäle für die Brennstoffzellen-Cartridges und das Methanol noch geschaffen werden.

Außer Samsung und NEC forschen auch andere Firmen wie Fujitsu, Hitachi und Toshiba an der Direkt-Methanol-Brennstoffzelle für den IT-Einsatz. Denn diese gilt als zukünftiger Ersatz heutiger Lithium-Ionen-Akkus. Allerdings werden serienreife Produkte für den kommerziellen Einsatz in Notebooks auch von diesen Herstellern wohl nicht vor 2006 auf den Markt kommen.

Kommerzielle Nutzung der Brennstoffzelle

Als Vorreiter für kommerziell nutzbare Brennstoffzellen gilt die Smart Fuel Cell (SFC) aus Brunnthal bei München. Der Hersteller hat bereits marktfähige Kleinkraftwerke auf Basis der DMFC-Technologie im Handel.

So verkauft der Hersteller das Brennstoffzellen-System SFC A25 bereits sei September 2003 zu einem Preis von 4990 Euro. Das Einsatzgebiet beschränkt sich allerdings auf die Stromversorgung in Fahrzeugen und Schiffen. Das Aggregat liefert 50 Ah pro Tag. Damit deckt es den Energiebedarf eines Reisemobil oder Segelboots. Mit einer 2,5-Liter-Methanol-Tankpatrone läuft die AFC A25 bei voller Leistung 70 bis 80 Stunden.

Brennstoffzellen für den ausschließlichen Einsatz in Notebooks gibt es im Handel noch nicht. Sie existieren lediglich als Prototypen und Anschauungsmuster. Darf man den Herstellern von Brennstoffzellen glauben, sollen erste kommerziell nutzbare Brennstoffzellen in Notebooks noch 2006 auf den Markt kommen.

Eine mögliche kommerziell nutzbare Energieversorgung für Notebooks auf Basis einer Brennstoffzelle stellte SFC, der Branchenführer in punkto Methanol-Brennstoffzellen, auf der CeBIT im März 2004 vor. Die externe Mini-Brennstoffzelle "Power Boy" ist konzipiert für den Betrieb und das Nachladen von Notebooks, Kameras oder portablen DVD-Playern. Die Energiezelle besitzt eine Laufzeit von bis zu 12 Stunden je Tankpatrone und wiegt nur zirka 700 Gramm.

Weitere Unternehmen, die sich auf den kommerziellen Einsatz der Brennstoffzellen-Technologie spezialisiert haben, sind Masterflex und Voller Energy aus England.

Fazit

Die herkömmlichen Akkutechnologien wie NiCd und NiMH sind technologisch nahezu ausgereizt. NiCd-Akkus spielen durch die problematischen Materialien und die geringe spezifische Energie im mobilen Umfeld keine Rolle mehr. Lediglich wo sehr hohe Stromstärken gefordert werden, kann der NiCd-Akku seinen Vorteil eines hohen Entladestroms (20fache Nennkapazität) ausspielen.

Die NiMH-Akkus gehören heute zu den gängigsten wiederaufladbaren Energielieferanten. Sie verfügen über eine hohe spezifische Energie und Kapazität sowie Belastbarkeit. Zusätzlich sind sie weniger schädlich als die NiCd-Zellen, da das hochgiftige Cadmium durch Metallhydrid ersetzt wurde. Zu den Nachteilen zählen die geringe Lebensdauer (Ladezyklen) und die hohe Selbstentladung.

Ein hohes Entwicklungspotenzial für den mobilen Einsatz besitzt zurzeit die Lithium-Ionen- beziehungsweise Lithium-Polymer-Technologie. Sie bietet eine hohe spezifische Energie, geringe Selbstentladung und keine negativen Eigenschaften wie den Memory- oder Lazy-Battery-Effekt. Zusätzlich ist der Lithium-Polymer-Akku durch die variablen Abmessungen universell einsetzbar. Allerdings bezahlen die Anwender diese Vorteile mit einem hohen Preis bei der Anschaffung.

Als zukünftige Energieversorger für mobile Geräte kommen die Brennstoffzelle und die Zink-Luft-Akkutechnologie sowie die "Organic Radical Battery" als Weiterentwicklung der NiMH-Technologie in Frage. Auch der Zink-Matrix-Akku mit seinen spezifischen Eigenschaften bietet ein hohes Potenzial als effizienter Stromspender. Allerdings befinden sie sich noch teilweise in der Entwicklungsphase, die ersten Ergebnisse von Prototypen sind aber viel versprechend.

Der Blei-Säure-Akku zählt zu den ältesten und immer noch weltweit meistgenutzten Energielieferanten. Als Notstromreserve in USVs oder Starterbatterien bietet diese Akkutechnologie ein konkurrenzloses Preis-Leistungs-Verhältnis, da als Grundstoff das preiswerte und in großen Mengen verfügbare Schwermetall Blei eingesetzt wird. Zusätzlich ist durch moderne Herstellungsverfahren der Blei-Säure-Akku in der Handhabung unproblematisch. Auf der Negativseite stehen die sehr geringe Energiedichte gegenüber anderen Akkutechnologien und das giftige Schwermetall Blei. (hal)