Der fast perfekte Lithium-Ionen-Akku

Im vergangenen Jahr kam es zu einem spektakulären Zwischenfall, der glücklicherweise glimpflich ausgegangen ist: Während des Fluges gingen die Batterien einer Boeing 787 in Flammen auf. Die Crew musste notlanden. Anschließend verhängten die Luftfahrtbehörden ein weltweites Startverbot für den Dreamliner.

Die Ursache für den Brand war ein flüssiger Elektrolyt, der in wiederaufladbaren Batterien in der Regel als Ionenleiter genutzt wird. Eben dieser Elektrolyt macht Lithium-Ionen-Akkus zu einer potenziellen Gefahr. Mit Festelektrolyten wäre das nicht passiert. Sie sind wesentlich sicherer als flüssige Elektrolyten. Allerdings gelten Festelektrolyten bislang als zu träge. Forscher haben jetzt das Gegenteil bewiesen.

Keine Sicherheitsprobleme mehr

Der alles entscheidende Faktor bei der Wahl des festen Materials ist die Leitfähigkeit der Ionen. Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und des südkoreanischen Elektronikspezialisten Samsung haben einen scheinbar idealen Materialmix gefunden, der alle erforderlichen Charakteristika eines guten Ionenleiters aufweist. Ihr Festelektrolyt besteht aus Lithium, Germanium, Phosphor und Schwefel. Aber bei diesem Mix muss es nicht bleiben. „Die aus der Forschungsarbeit abgeleiteten Prinzipien könnten zu noch effektiveren Materialien führen“, betont MIT-Wissenschaftler Gerbrand Ceder, der gemeinsam mit seinem koreanischen Kollegen Yan Wang die Forschungsarbeiten leitet.

„Festelektrolyte können ein echter Game-Changer sein, der zu fast perfekten Akkus führen kann“, ist Ceder überzeugt. Damit ließen sich die drei drängendsten Probleme der heutigen Lithium-Ionen-Akkus lösen: Sicherheit, Lebensdauer und Kosten. „Lithium an sich ist in dem Zustand, in dem es sich in Batterien befindet, nicht entflammbar. Mit einem festen Elektrolyten gibt es keinerlei Sicherheitsprobleme“, erklärt der Forscher. „Sie können eine derartige Batterie gegen eine Wand werfen oder einen Nagel hineinschlagen – es gibt einfach nichts was brennen könnte.“ Bei Akkus mit Festelektrolyt gebe es zudem praktisch keine Abbaureaktionen. „Das bedeutet, dass diese wiederaufladbaren Batterien hunderttausende Ladezyklen überstehen“, sagt Ceder. Sie würden also praktisch ewig halten.

Unerwartete, aber willkommene Nebeneffekte

Bei der Forschungsarbeit haben sich laut Ceder noch weitere „unerwartete und willkommene Nebeneffekte“ von Festelektrolyten gezeigt: Akkus mit einem festen Elektrolyt funktionieren demnach selbst bei extremer Kälte noch. Herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus müssten bereits bei minus 6 Grad Celsius vorgeheizt werden. Akkus mit Festelektrolyt sollen auch eine höhere Energiedichte haben. Sie könnten bei gleicher Größe 20 bis 30 Prozent mehr Energie speichern als ein heutiger Lithium-Ionen-Akku und müssten weniger oft nachgeladen werden.

Wann und ob solche Lithium-Ionen-Batterien in die Massenproduktion gehen werden, ist bislang allerdings noch nicht bekannt.