Akkutechnologien: So werden die Smartphones kĂŒnftig lĂ€nger durchhalten

Peter Mußler 25. MĂ€rz 2015 1 Kommentar(e)

Die Smartphone-Welt ĂŒberschlĂ€gt sich bei noch schĂ€rferen Displays, schnelleren Prozessoren und grĂ¶ĂŸeren Arbeitsspeichern. All diese Hochleistungskomponenten aber stehen still ohne ihn: den Akku. Wir schauen gespannt auf die Technologien von morgen.

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Es ist ein Dilemma. Das Telefon ist grob handgroß. Diesen begrenzten Raum nutzt es immer effektiver mit ­immer mehr High-Tech-Komponenten, die zusammen ­immer mehr Strom ­brauchen. Immer weniger bleibt Platz deshalb fĂŒr den Stromspeicher: den Akku. Hielten die ­ersten Dumbphones fĂŒr die Masse wie z. B. das 5110 von Nokia noch eine ganze Woche durch, so ist heute fĂŒr viele Smartphones bereits nach einem Tag Schichtende. Da die User nicht weniger Leistung von Ihren GerĂ€ten fordern werden, bleibt nur ein Ausweg: der Akku muss flexibler werden.

GrĂ¶ĂŸeres Durchhaltevermögen

Ein SchlĂŒssel zu einer lĂ€ngeren Akkustandzeit heißt „höhere Energiedichte“. BewĂ€hrte Lithium-Ionen-Akkus haben je nach Reaktionsmittel eine Dichte von 250-500 Wh/kg. Ein Lithium-Luft-Speicher verfĂŒgt theoretisch ĂŒber 11,14kWh/kg, also das mehr als 20fache! Leider nur theoretisch, der „atmende“ Akku ist außerdem tendenziell explosiv und in der Herstellung teuer. Kombinationen, an denen auch geforscht wird sind Lithium-Schwefel und Natrium-Sauerstoff. Na-O hat den Vorteil der fĂŒnfmal höheren Energiedichte von heutigen Li-Ion-Speichern bei lediglich einem FĂŒnftel der Herstellungskosten. Marktreif ist er – wie die Schwefel-Variante – allerdings noch lange nicht. Die nötige Forschung ist sehr teuer (ein Blick in die Vergangenheit zeigt, wie viel Vorlauf eine jeweils neue Batterietechnologie benötigte), wer hier investiert, ist zum Erfolg verdammt, entsprechend zögerlich geht die Entwicklung voran.

Ein Lithium-Luft-­Akku hat eine 20-mal höhere Energie­dichte

High Speed-Ladung

Wenn der Akku schon nicht lange hĂ€lt, so muss er wenigstens rasch zu laden sein. Diesen Ansatz verfolgt ein Unternehmen aus Israel. StoreDot hat eine Nano-Technologie entwickelt, die sie auf Displays, Speicherkarten und eben auch Akkus anwendet. CEO und GrĂŒnder Doron Myersdorf verspricht Ladezeiten fĂŒr ein Smartphone von unter eine Minute. Zwar halten derartige Akkus nicht so lange wie aktuelle, allerdings wĂ€re dies zu verschmerzen, wenn sie komplett aufzuladen wĂ€ren, wĂ€hrend man z.B. seinen Kaffee trinkt. Mit einer MarkteinfĂŒhrung ist aber frĂŒhestens 2017 zu rechnen.

Akku-Assistenzsysteme

Wenn der Akku noch nicht ausdauernd genug ist, um den Tag zu ĂŒberstehen, das Laden zu lange dauert oder keine Steckdose verfĂŒgbar ist, muss man entweder den Verbrauch optimieren oder aber auf andere Energiequellen zurĂŒckgreifen. Am besten natĂŒrlich, die (fast) immer verfĂŒgbar sind und nichts kosten. In Frage kommen dafĂŒr die Sonne oder der ­eigene Körper. Das französische Unternehmen SunPartner entwickelte eine dĂŒnne Schicht aus Kristallglas mit Namen „Wysips“, die Sonnenlicht durch Photovoltaik in elektrischen Strom verwandelt. Die Menge reicht zwar nicht aus, um den Akku zu laden, aber um ihn zu entlasten. Die Standzeit soll somit um bis zu 15% verlĂ€ngert werden können.

KörperwĂ€rme zu Strom macht ein kleines Modul einer koreanischen Forschungsgruppe und wirkt damit Ă€hnlich. Besonders geeignet fĂŒr Verbraucher mit Hautkontakt: Wearables.

Elektrisierende Akku-Technologien

Seit 1900 hat sich die Energiedichte bei Akkumulatoren nur versechsfacht – ein zĂ€her Fortschritt. Mit neuen Materialkombinationen soll hier ein großer Sprung möglich sein: Lithium-Schwefel soll gegenĂŒber dem verbreiteten Li-Ion-Akku eine tatsĂ€chliche Verbesserung um den Faktor Zwei bieten, eine gar fĂŒnf Mal so hohe Energiedichte verspricht das Natrium-Luft-Gespann, noch mehr Lithium-Luft. Allerdings ist das Hauptproblem der leichten Luft-Akkus in den Griff zu bekommen: ihre fehlende LadestabilitĂ€t. Zellen mit hoher Energiedichte halten maximal 50 stabile Zyklen durch.

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Superspeed-Akkuladung mit Hilfe von Nanokristallen

Nanodots nennt StoreDot seine Wunderwaffe, die die Turboaufladung seiner Akkus möglich macht. Es handelt sich dabei um 2 Nanometer kleine „bio-organische“ Kristalle, die strenggenommen sogar zu den Eiweißen gezĂ€hlt werden mĂŒssen. Diese ermöglichen einen deutlich schnelleren Transport der Ionen von Anode zu Kathode als dies bei herkömmlichen Akkus derzeit möglich ist. Unkonventionell ist auch die StromstĂ€rke, die fĂŒr den Ladeprozess aktuell benötigt wird: 40 Ampere.

Alternativen zur schieren Akku-Power

Die Akkuleistung zu verbessern, ist nur eine Möglichkeit, der Anforderung von lÀngerer Betriebszeit gerecht zu werden. Weniger zu verbrauchen, ist eine andere. Hier sind schnell und vergleichsweise einfach Erfolge zu verzeichnen. Der dritte Weg ist, Energie nutzen, die in aller Regel ungenutzt verpufft. Eine solche stellt beispielsweise die Sonne bereit.

Foto: empa.ch

Foto: empa.ch

Solarenergie ĂŒber das Handydisplay

Sonnenstrom ohne klobige Panels ist keine Zukunftsmusik. Derartige Glasfolien gibt es auch fĂŒr Fenster und Autoscheiben. Beim energiehungrigen Smartphone bringen sie aber nicht besonders viel.

Foto: kaist.edu

Foto: kaist.edu

Körper als Heizkraftwerk

Die bislang ungenutzte KörperabwĂ€rme wird in ElektrizitĂ€t umgewandelt. Auf­grund des nötigen Hautkontakts kommen v.a. Wearables wie Fitnesstracker oder Smartwatches fĂŒr diese Technologie in Frage.

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Spar-Soft- und Hardware

Die Verbrauchsoptimierung des eigenen GerÀts z.B. per App kann erheblich dazu beitragen, die Nutzungsdauer sprunghaft zu verlÀngern, effizientere Hardware bei energieintensiven Bauteilen ebenfalls.

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Kraftstoff-Akku

Energie per Brennstoffzelle klingt erst einmal sehr exotisch. Dieser „NachfĂŒllakku“ ist aber auch nicht als Breitenlösung konzipiert. Er soll Smartphone-User an Orten ohne Stromnetz, z.B. Expeditionsteilnehmer, mit ­telefongerechter Energie versorgen. Der ­chemische Miniaturgenerator, der auf den schlichten Namen ­„Kraftwerk“ hört, lĂ€uft mit Feuerzeuggas, ist emissionsarm und leicht.
Er wird per Crowdfunding ­finanziert, die HÀlfte der Entwicklungskosten steht bereits.

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Vom Auto lernen?

FĂŒr den Siegeszug des E-Autos ausschlaggebend ist die Beherrschung der Akkuproblematik – technisch als auch wirtschaftlich. Ideal wĂ€re die Energiedichte von Benzin, was theoretisch mit der Li-O-Batterie möglich wĂ€re. Abgesehen von technischen Problemen ist sie aber mit 500 Dollar/kWh so teuer wie die bisherige Li-Ion-­Variante. Das fĂ€llt bei kleinen Handyakkus nicht ins Gewicht, potenziert sich bei den großen im Auto allerdings zum Preistreiber. Auf das teure Lithium verzichtet deshalb der Natrium-Luft-­Akku (Na-O) bei gleichzeitig höherer Leistung. Auch wichtig beim E-Mobil ist das Thema Lebensdauer: 500 Zyklen (ca. 200.000km) wie beim Telefon sollten möglich sein ehe das ­teuerste Bauteil gewechselt werden muss.

Eine Entwicklung die dem E-Auto mehr als dem Smartphone hilft, wĂ€ren erheblich verkĂŒrzte Ladezeiten. In zwei Minuten volltanken, wie es StoreDot anpeilt (s. links), wĂŒrde die ­Akzeptanz von E-Fahrzeugen deutlich erhöhen.

„Was die allgemeine Akzeptanz von Elektro­autos bremst, ist tatsĂ€chlich eher der Preis des akkus als seine Energiedichte.” – Winfried Wilcke (Leiter des Bereichs Nanotechnologie bei IBM)

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Peter Mußler   Redakteur

Als Ästhet beschĂ€ftigt er sich gerne mit formschönen GerĂ€ten und Überschriften, so geschmeidig wie ein poliertes AlugehĂ€use. Als Redakteur fĂŒr die Magazine des CDA-Verlags taucht er in die Tiefen der Recherche aber auch ab bis zum Grund. Denn: Eine Überschrift alleine macht noch keinen Artikel.