Batterien und Akkus sind aus der heutigen Zeit nicht mehr wegzudenken. Sie machen Geräte wie Rasierapparate, Telefone und Computer mobil und erleichtern uns so den Alltag. Plastikbatterien könnten diesen Fortschritt noch erweitern.
Wie wäre es, wenn man in der Lage wäre eine Autobatterie mit nur zwei Fingern zu heben? Welche Möglichkeit hätte man, wenn der Laptop-Akku 20 Stunden bei voller Leistung hält? Genau diese Vorstellung hatte Donald R. Sadoway. Er ist Professor für Elektrochemie am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge und der Vater des Lithium-Polymer-Akkus.
Wie funktioniert ein Lithium-Ionen-Akku?
Um erahnen zu können, was das Bahnbrechende an den Plastikbatterien ist, muss ein kleiner Blick in die Funktionsweise und den Aufbau eines Lithium-Ionen-Akkus geworfen werden:
Grundsätzlich besteht jede Batterie und jeder Akku aus vier essentiellen Bestandteilen:
Positive Elektrode (Kathode)
Negative Elektrode (Anode)
Elektrolyt
Separator
Die Kathode besteht aus Lithium-Metalloxid, welches Anteile an Nickel, Mangan und Kobalt enthalten kann. Dies sind sogenannte Übergangsmetalle. Die Anode wird zumeist aus Graphit hergestellt. Das Elektrolyt dient zur freien Ladungsträgerbewegung zwischen Anode und Kathode. Darin sind Salze, wie zum Beispiel Lithiumhexafluorosphat, in einem aprotischen Lösungsmittel wie Diethylcarbonat gelöst. Der Separator dient zur Vermeidung von Kurzschlüssen. Er besteht aus Vliesstoffen, ist für Lithium-Ionen durchlässig und kann große Mengen der Ionen in sich aufnehmen.
Damit ein Akku funktionieren kann, wird elektrische Energie durch einen chemischen Prozess gespeichert. Wird ein Stromkreis geschlossen, also ein Verbraucher eingeschaltet, dann geben die Lithium-Atome an der Kathode je ein Elektron ab. Von dort aus fließen die Elektronen über den Verbraucher zur Anode. Im gleichen Schritt bewegen sich Lithium-Ionen in der gleichen Zahl von der Anode durch das Elektrolyt und den Separator zur Kathode. Die stark ionisierten Übergangsmetalle nehmen anschließend die Elektronen auf.
Beim Aufladen des Akkus wird eine entgegengesetzte Ladespannung angelegt. Diese sorgt dafür, dass die Elektronen aus den Übergangsmetallen gelöst werden und die Lithium-Atome durch den Separator zur Kathode gedrückt werden. Dort lagern sie sich wieder zwischen den Graphitmolekülen ein. Bei Erreichen der Ladeschlussspannung sinkt der Ladestrom und die Spannung wird gehalten.
Wie funktioniert eine Plastikbatterie?
Die Zelle besteht auch hier weiterhin aus einer Anode, Kathode sowie einem flüssigen, nicht entflammbaren Elektrolyt. Das Besondere an dieser innovativen Batterie ist, dass die beiden Elektroden vollkommen ohne Metalle auskommen. Das verdanken wir einem Kohlenstoff-Graphen-Hybrid, der zu den leitfähigen Polymeren gehört.
Im Inneren der Batterie befindet sich eine Polymer-Kette. Diese verbindet abwechselnd Kohlenstoff-zu-Kohlenstoff-Einfachverbindungen mit Doppelverbindungen. Genau diese Verbindungen ermöglichen erst den Elektronenfluss in der metallfreien Batterie.
Beim Ladevorgang geben die Ionen innerhalb der leitfähigen Polymere Elektronen ab. Es findet eine Oxidation statt. Somit speichern die leitfähigen Polymere Energie. Wird nun ein Verbraucher angeschlossen und zugeschaltet, findet eine sogenannte Reduktion statt. Dabei werden die abgegebenen Elektronen wieder aufgenommen. Hierbei fließen die Elektronen, wie schon bei dem Lithium-Ionen-Akku beschrieben, zwischen Anode und Kathode hin und her. Je nachdem ob gerade ent- oder geladen wird.
Hergestellt wird die Plastikbatterie von Polyjoule. Hierbei handelt es sich um ein Start-up-Unternehmen aus Boston, Massachusetts. Die Gründer kommen vom MIT.
Wie unterscheidet sich die Funktionsweise einer Plastikbatterie von einem Lithium-Ionen-Akku?
Der große Unterschied sind die leitfähige Polymere, welche den Einsatz von immer seltener werdenden metallischen Rohstoffen bei der Produktion überflüssig machen.
Welche Vor- und Nachteile haben Plastikbatterien?
Diese innovative Batterie hat sehr viele Vorteile, jedoch auch einen gewaltigen Nachteil. Zu den Vorzügen zählen:
Minderung von Rohstoffengpässen: Da auf seltene Elemente wie Lithium, Kobalt und Co. verzichtet wird und ein wasserbasiertes Produktionsverfahren zur Anwendung kommt.
Materialsicherheit: Da es sich um ein leitendes Polymer handelt bestehen keine Sicherheitsrisiken durch Feuer oder Ähnliches.
Verarbeitung: Polymere sind verhältnismäßig einfach zu verarbeiten und es wird kein Reinraum mehr benötigt.
Anwendungsbereich: Diese sind sehr vielfältig, da die Plastikbatterien zwischen -40 bis +50 Grad Celsius arbeitsfähig sind. Die Ladezeiten verkürzen sich pro Ah von 2 Stunden auf unter 5 Minuten.
Umweltschutz: Es wird davon ausgegangen, dass die Lithium-Polymer-Akkus zu 95% recycelbar sein werden.
Leistung: Die LiPo-Akkus können bis zu 12.000-mal be- und entladen werden. Mehr als doppelt so oft wie eine Lithium-Ionen-Zelle, die es nur auf ca. 5000 Zyklen schafft.
Kosten: Die Produktionskosten werden laut Aussage des Herstellers mit 62 Euro pro Kilowattstunde beziffert. Zum Vergleich kostet die Kilowattstunde einer Lithium-Ionen-Batterie 130 Euro je Kilowattstunde. Zudem liegt der Rohstoffpreis eines Plastik-Akkus bei weniger als einem Euro pro Kilogramm, wohingegen Lithiumkarbonat mit fast 20 Euro pro Kilogramm zu Buche schlägt.
Nachdem nun so viele Vorteile aufgezählt wurden, so bleibt ein Nachteil in der Liste nicht aus. Bisher nehmen die Akkus noch ca. 2-5-mal so viel Platz ein wie ein herkömmlicher Akkumulator.
Welche Einsatzgebiete haben Plastikbatterien?
Wissenschaftler vieler Institute haben dieses Prinzip aufgegriffen und treiben die Entwicklung voran. Das Ziel ist es, den Akku formbar wie Knetmasse zu machen und ihm somit nahezu jedes Einsatzgebiet zu eröffnen. Sei es nun die Integration in Kleidung und Accessoires als auch in stoßfeste oder flexible Technologie.
Aufgrund der kurzen Ladezeiten, dem hohen Entladestrom und der extrem leichten Bauweise, öffnet sich auch der Anwendungsbereich Photovoltaik für diesen Akkutypen. Auch wenn viel Platz beansprucht wird, kann auch aufgrund der Flexibilität der Einbau als heimischer Batteriespeicher in Betracht gezogen werden. Das geringe Gewicht macht eine Deckenmontage möglich. Die hohe Anzahl von Ladezyklen reduziert die Amortationszeit der gesamten PV-Anlage enorm, da der Speicher nicht nach 13-15 Jahren, sondern erst nach 30-35 Jahren ersetzt werden muss. Bei Wohnwagen und Reisemobilen ist eine Unterflurmontage ideal.
Fazit
In jeder Technologie, hinter jeder Erfindung steckt ein Traum. Der Traum eines Menschen. Viele kluge Köpfe arbeiten unermüdlich daran, eine bahnbrechende und innovative Idee aus der einfachen Serienreife hinauf zu Höherem zu treiben. Derzeit mag der eine Nachteil noch dazu beitragen, dass diese Akkus noch nicht überall eingesetzt werden können, wo sie zum Beispiel der Smartphone-Hersteller gern hätte, jedoch sind die Erfinder auf dem besten Weg dahin. In wenigen Jahren wird es den Durchbruch geben und nahezu jeder Mensch auf der Welt wird davon profitieren können. Ob nun im Bereich der Unterhaltungselektronik als auch im aufstrebenden Sektor der Elektromobilität.
