Akkutechnologien: So werden die Smartphones künftig länger durchhalten

Peter Mußler 25. März 2015 1 Kommentar(e)

Die Smartphone-Welt überschlägt sich bei noch schärferen Displays, schnelleren Prozessoren und größeren 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 für den Stromspeicher: den Akku. Hielten die ­ersten Dumbphones für die Masse wie z. B. das 5110 von Nokia noch eine ganze Woche durch, so ist heute für viele Smartphones bereits nach einem Tag Schichtende. Da die User nicht weniger Leistung von Ihren Geräten fordern werden, bleibt nur ein Ausweg: der Akku muss flexibler werden.

Größeres Durchhaltevermögen

Ein Schlüssel zu einer längeren Akkustandzeit heißt „höhere Energiedichte“. Bewährte Lithium-Ionen-Akkus haben je nach Reaktionsmittel eine Dichte von 250-500 Wh/kg. Ein Lithium-Luft-Speicher verfügt theoretisch über 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 fünfmal höheren Energiedichte von heutigen Li-Ion-Speichern bei lediglich einem Fünftel 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 hält, 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 Gründer Doron Myersdorf verspricht Ladezeiten für ein Smartphone von unter eine Minute. Zwar halten derartige Akkus nicht so lange wie aktuelle, allerdings wäre dies zu verschmerzen, wenn sie komplett aufzuladen wären, während man z.B. seinen Kaffee trinkt. Mit einer Markteinführung ist aber frühestens 2017 zu rechnen.

Akku-Assistenzsysteme

Wenn der Akku noch nicht ausdauernd genug ist, um den Tag zu überstehen, das Laden zu lange dauert oder keine Steckdose verfügbar ist, muss man entweder den Verbrauch optimieren oder aber auf andere Energiequellen zurückgreifen. Am besten natürlich, die (fast) immer verfügbar sind und nichts kosten. In Frage kommen dafür die Sonne oder der ­eigene Körper. Das französische Unternehmen SunPartner entwickelte eine dünne 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% verlängert werden können.

Körperwärme zu Strom macht ein kleines Modul einer koreanischen Forschungsgruppe und wirkt damit ähnlich. Besonders geeignet für Verbraucher mit Hautkontakt: Wearables.

Elektrisierende Akku-Technologien

Seit 1900 hat sich die Energiedichte bei Akkumulatoren nur versechsfacht – ein zäher Fortschritt. Mit neuen Materialkombinationen soll hier ein großer Sprung möglich sein: Lithium-Schwefel soll gegenüber dem verbreiteten Li-Ion-Akku eine tatsächliche Verbesserung um den Faktor Zwei bieten, eine gar fünf 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 Ladestabilität. 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 gezählt werden müssen. Diese ermöglichen einen deutlich schnelleren Transport der Ionen von Anode zu Kathode als dies bei herkömmlichen Akkus derzeit möglich ist. Unkonventionell ist auch die Stromstärke, die für den Ladeprozess aktuell benötigt wird: 40 Ampere.

Alternativen zur schieren Akku-Power

Die Akkuleistung zu verbessern, ist nur eine Möglichkeit, der Anforderung von längerer 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 über das Handydisplay

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

Foto: kaist.edu

Foto: kaist.edu

Körper als Heizkraftwerk

Die bislang ungenutzte Körperabwärme wird in Elektrizität umgewandelt. Auf­grund des nötigen Hautkontakts kommen v.a. Wearables wie Fitnesstracker oder Smartwatches für diese Technologie in Frage.

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Spar-Soft- und Hardware

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

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Kraftstoff-Akku

Energie per Brennstoffzelle klingt erst einmal sehr exotisch. Dieser „Nachfüllakku“ 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, läuft mit Feuerzeuggas, ist emissionsarm und leicht.
Er wird per Crowdfunding ­finanziert, die Hälfte der Entwicklungskosten steht bereits.

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Vom Auto lernen?

Für den Siegeszug des E-Autos ausschlaggebend ist die Beherrschung der Akkuproblematik – technisch als auch wirtschaftlich. Ideal wäre die Energiedichte von Benzin, was theoretisch mit der Li-O-Batterie möglich wäre. Abgesehen von technischen Problemen ist sie aber mit 500 Dollar/kWh so teuer wie die bisherige Li-Ion-­Variante. Das fällt 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, wären erheblich verkürzte Ladezeiten. In zwei Minuten volltanken, wie es StoreDot anpeilt (s. links), würde die ­Akzeptanz von E-Fahrzeugen deutlich erhöhen.

„Was die allgemeine Akzeptanz von Elektro­autos bremst, ist tatsächlich 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 beschäftigt er sich gerne mit formschönen Geräten und Überschriften, so geschmeidig wie ein poliertes Alugehäuse. Als Redakteur für 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.

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