WIRED erklärt den Weg zum perfekten Akku

Eine Batterie, die ewig hält, sich selbst auflädt und um die man sich nicht kümmern muss – nicht nur für Smartphone-Besitzer klingt das wie ein Traum. Aber ist der unsterbliche Akku überhaupt möglich? Was bräuchte es dazu?

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Eine Batterie, die ewig hält, sich selbst auflädt und um die man sich nicht kümmern muss – nicht nur für Smartphone-Besitzer klingt das wie ein Traum. Aber ist der unsterbliche Akku überhaupt möglich? Was bräuchte es dazu?

Wenn die Zukunft elektrisch sein soll, braucht sie besser Akkus. Für elektrische Autos, für eine Energieversorgung durch Wind und Solar und – ja, auch für Handys und Notebooks. Doch während Computerprozessoren regelmäßig ihre Leistung verdoppeln, geht die Verbesserung der Akkus eher langsam voran.

Derzeit ist der Lithium-Ionen-Akku für die meisten elektronischen Geräte der Akku der Wahl. „Seine Entwicklung war ein absoluter Durchbruch“, sagt Holger Althues vom Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik. Seitdem wird immer weiter an der Verbesserung der Lithium-Ionen-Technologie gearbeitet. Nur, Bahnbrechendes ist dabei bisher noch nicht passiert.

Die Zukunft der Akkus scheint offen: Findet sich ein Wunderkind, ein Akku für alle Fälle? Oder gibt es mehrere Kandidaten, die je nach Spezialgebiet eingesetzt werden? An Ideen jedenfalls mangelt es nicht: Natrium-Ionen-Akkus, Festkörperakkus, Nano- und Lithium-Schwefel-Akkus – Es ist nicht leicht, den Überblick zu behalten.

Was ist das Ziel?

Der perfekte Akku wäre einer, mit dem man sich gar nicht beschäftigen müsste. Ein ewiger Akku, die unsterbliche Batterie. Sie lädt sich selbst auf und läuft immer weiter.

Wie funktioniert das?

An einen unvergänglichen Akku gibt es vor allem zwei Anforderungen: Er muss sich einerseits selbst aufladen. Andererseits muss er das unbegrenzt oft tun.

Selbst aufladende Akkus gibt es schon. Das Prinzip dahinter nennt sich „energy harvesting“. Dabei nutzt der Akku seine Umwelt, um elektrische Energie zu gewinnen. „So entstehen autarke Systeme“, sagt Althues. Das einfachste Beispiel dafür ist ein Akku, der an eine Solarzelle angeschlossen ist. Doch die Möglichkeiten zur Energieernte sind zahlreich. „Man kann zum Beispiel auch einen starken Temperaturunterschied zur Energiegewinnung nutzen“, sagt Althues. Oder Radiowellen, die die Handyhülle dann quasi aus der Luft fischt und in Energie umwandelt. Oder Schweiß. Oder Vibrationen im Auto. Auch unsere Bewegung, also wenn wir zum Beispiel gehen oder laufen, lässt sich zur Energiegewinnung nutzen.

Doch damit der Akku wirklich ewig lebt, muss er das ständige Aufladen auch überstehen. Je nach Ausführungsform schaffen Lithium-Ionen-Akkus derzeit zwischen 500 und 10.000 Zyklen, bevor man nur noch 80 Prozent ihrer Ausgangskapazität nutzen kann, erklärt Althues. Das Problem ist, dass die Zellen im Laufe der Zeit – und abhängig davon, wie stark sie beansprucht werden – degradieren. Der Elektrolyt – die Flüssigkeit, die die Ionen enthält – ist nicht stabil. Das heißt, sobald er in Kontakt mit der Anode kommt, zersetzt er sich. „Im Idealfall bildet sich dabei eine stabile Schutzschicht aus“, sagt Althues. „Diese Grenzfläche zwischen Anode und Elektrolyt bleibt aber eine Schwachstelle des Systems.“ Die Zersetzung an der Anode ist aber nicht der einzige Grund, aus dem Lithium-Ionen-Akkus nicht ewig leben: „Da gibt es noch viele Stellschrauben, an denen man drehen kann“, sagt Althues.

2016 berichtete die Wissenschaftlerin Mya Le Thai von ihrer zufälligen Entdeckung: Sie hatte mit Hilfe von Nano-Golddrähten eine Möglichkeit gefunden, um einen Akku hunderttausende Male aufzuladen. In drei Monaten überstand der Akku mehr als 200.000 Ladezyklen.

Damit ein Akku aber tatsächlich unsterblich wird, muss er seine Kräfte gut einteilen. Die Energiemenge in einem Akku hängt davon ab, wie viel Energie er ernten kann und wie viel er an das Gerät abgeben muss, sagt Raja Jurdak: „Bei vielen Anwendungen in der realen Welt variieren der Output und Input im Laufe der Zeit.“ Um den Akku ewig am Leben zu halten, muss man das vorhersehen.

Jurdak und seine Kollegen haben dazu ein Software-Framework geschrieben und unter anderem bei der Flughundeüberwachung in Australien getestet. Die Software prognostiziert, wie lange ein Flughund zu seinem Futter fliegt: Ist die Flugzeit lange, sammelt der Tracker weniger GPS-Daten als bei einem kurzen Ausflug. Die Software, sagt Jurdak, kann natürlich nicht nur helfen, Tiere zu verfolgen, sondern auch zum Beispiel Güter. Oder man nutzt sie für Smartphones und IoT-Anwendungen.

Was steht im Weg?

Nicht alle „energy harvesting“-Methoden sind wirklich praktisch oder eignen sich für kleinere Geräte. „Für den alltäglichen Bedarf ist das meiste noch nicht sehr praktikabel, finde ich“, sagt Althues. Vieles, woran die Wissenschaftler in diesem Bereich forschen, ist auch noch nicht serienreif. Die Anwendungen, die von Firmen wie Nikola Labs für das Smartphone entwickelt werden, kommen dagegen noch nicht komplett ohne Ladegerät aus. Sie unterstützen eher die Leistung des Handyakkus.

Und auch bei der Erhöhung der Ladezyklen gibt es Probleme: Wenn man eine Lithium-Ionen-Zelle auf ihre Lebensdauer trimmt, „geht das meistens auf Kosten von anderen Eigenschaften, wie zum Beispiel der Energiedichte“, sagt Althues. Andere Ansätze, wie beispielsweise die Batterie mit einem speziellen Kondensator zu verbinden – was die Stabilität deutlich erhöhen würde – werden zur Zeit erforscht. Das gilt auch für die Nano-Golddrähte oder für Festkörperakkumulatoren – vielversprechende Ansätze, aber wir sollten nicht damit rechnen, dass wir sie schon Morgen nutzen können.

Eine ganz andere Frage, die Jurdak in einem Artikel aufwirft, ist: Was bedeutet es überhaupt, einen solchen Akku zu produzieren, welche Folgen hat das? Ist der unsterbliche Akku – neben beispielsweise der Fähigkeiten, den eigenen Code zu lernen – nicht eines der Bauteile auf dem Weg zu einer sich selbst erhaltenden Maschine? Oder nicht ganz so futuristisch: Ein Sensor, der unbegrenzte Daten sammeln kann, sammelt ab einem gewissen Punkt vielleicht auch Daten, die nichts mehr mit seinem ursprünglichen Auftrag zu tun haben.

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