Welchen Einfluss wird der Rückruf auf die Zukunft des Lithiumion-Akkus haben?

von Isidor Buchmann

Cadex Electronics Inc.
isidor.buchmann@cadex.com
www.buchmann.ca - www.BatteryUniversity.com
Novbember 2006

Viele Kunden verlangten längere Akku-Laufzeiten. Die Akku-Hersteller haben daraufhin die Menge aktiven Materials pro Zelle erhöht und die Elektroden und Separatoren dünner ausgeführt. Seit der Einführung von Lithiumion im Jahre 1991 konnte so die Energiedichte verdoppelt werden.

Doch die hohe Energiedichte hat ihren Preis. Je dichter die Zelle, desto schwieriger die Herstellung. Bei einer Separatordicke von nur 20-25 µm kann ein winziges eingedrungenes Metallteilchen schwerwiegende Folgen haben. Laut Sony, dem Hersteller der zurückgerufenen Lithiumion-Zellen, besteht die äußerst geringe Möglichkeit, dass Metallteilchen in Kontakt mit anderen Teilen der Akkuzelle kommen und einen Kurzschluss innerhalb der Zelle verursachen.

Die Lithiumion-Akkus nähern sich inzwischen der theoretischen Grenze ihrer Dichte, sodass die Akku-Hersteller sich jetzt auf die Verbesserung der Produktionsmethoden und der Sicherheit konzentrieren. David Perlmutter, Senior VP und General Manager der Mobility Group von Intel meint hierzu: "Momentan arbeitet die Branche hauptsächlich an der Verbesserung der Fertigungsmethoden und der Zuverlässigkeit herkömmlicher Lithiumion-Akkus."

Der Rückruf ist eine riesige Aufgabe, die noch lange Wellen schlagen wird. Wirtschaftsexperten rechnen mit Lieferverzögerungen und höheren Akkupreisen. Das Recycling von 10 Millionen Lithiumion-Packs ist keine leichte Aufgabe. Die 70 Millionen Zellen dieser fehlerhaften Packs müssen ersetzt werden. Der größte Hersteller von Lithiumion ist Sanyo mit monatlich 42 Millionen Zellen, gefolgt von Sony mit 27 Millionen und Samsung mit 26 Millionen.

Die Akkunutzer werden sich fragen: "Gibt es eine sicherere Alternative zu Lithiumion?" Ja, es gibt neue Entwicklungen. Experten und Branchenanalysten weisen die Verbraucher jedoch darauf hin, dass die heute in den Laptops und Handys verwendeten Kobalt-Lithiumion-Akkus nicht so schnell verschwinden werden.

Die Neuentwicklungen sind Mangan- und Phosphat-Lithiumion. In Bezug auf thermische Stabilität sind diese beiden Kandidaten dem Kobalt überlegen. Die Kobaltzellen werden bei 150 °C (302 °F) instabil, ein Zustand, der zu einem thermischen Durchgehen führen kann, bei dem flammende Gase austreten. Im Gegensatz dazu können Mangan und Phosphat Temperaturen bis zu 250 °C (482 °F) vertragen, bevor Instabilität eintritt.

Das Mangan-System, auch unter dem Namen Spinell bekannt, gibt es schon seit 1996. Wegen des geringen Innenwiderstands und der Fähigkeit zu hohen Lastströmen sind diese Akkus für Elektrowerkzeuge ideal geeignet. Das Phosphat-System wird bei Valence Technologies und A123Systems hergestellet. Der Unterschied zu Lithiumion ist die Nennspannung von 3,3 V gegenüber den herkömmlichen 3,6 V.

Obwohl das Mangan- und das Phosphat-System dem Kobalt in Bezug auf Sicherheit und Laststrom überlegen sind, haben sie doch einen großen Nachteil: eine geringere Energiedichte. Abbildung 1 zeigt die Wh/kg von Bleisäure, Nickel-Kadmium und Nickelmetallhydrid gegenüber den drei Lithiumion-Systemen. Die größere Energiedichte von Kobalt gegenüber den anderen ist deutlich zu sehen.

Abbildung 1: Energiedichte der herkömmlichen Akkusysteme. Kobalt-Lithium bietet die höchste Energiedichte. Mangan und Phosphat sind stabiler und liefern höhere Lastströme.

Wird die Brennstoffzelle ein Ersatz sein?
Die Brennstoffzelle hat in den vergangenen Jahren viel Aufsehen erregt. Für viele ist sie die Energiequelle der Zukunft. Dabei ist die Brennstoffzelle nichts Neues; Sir William Grove entwickelte bereits 1839 das erste Modell. Obwohl sie dem Verbrennungsmotor voraus war, blieb die Brennstoffzelle ein Unikum bis 1950, als sie in Raumfahrt- und Militäranwendungen der USA zum ersten Mal zum Einsatz kam. In den 80er Jahren wurde die Brennstoffzelle noch einmal wiedergeboren, als Wissenschaftler und Aktienhändler sie als saubere Energiequelle, gespeist vom unerschöpflichen Wasserstoff, anpriesen. Die Autos würden von Brennstoffzellen getrieben und Haushalte mit Elektrizität versorgt werden, von Brennstoffzellen hinter dem Haus erzeugt. Hohe Herstellungskosten und eine kurze Lebensdauer standen der Realität jedoch im Weg.

Kraftstoff der Brennstoffzelle sind Wasserstoff und Sauerstoff. Die Verbindung dieser beiden Gase erzeugt Elektrizität und Wasser. Es gibt keine Verbrennung, keine Umweltverschmutzung. Das Nebenprodukt ist reines Wasser. Eine solche Anlage ist so sauber, dass Geoffey Ballard, der Entwickler der Ballard-Brennstoffzelle, seinen Gästen mit diesem Wasser angesetzten Tee zum Trinken anbot. Die theoretische Energieabgabe einer Brennstoffzelle ist hoch, die Hälfte geht jedoch als Wärme verloren.

In den vergangenen Jahren kamen tragbare Versionen der Brennstoffzelle auf den Markt. Die vielversprechendste Mini-Brennstoffzelle ist die Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMBZ). DMBZ ist billig, einfach, benötigt kein druckbeaufschlagtes Wasserstoffgas und bietet eine einigermaßen gute elektrochemische Leistung. Die gegenwärtigen Systeme liefern 900 Wh und eine Energiedichte von 102 Wh/l, sind jedoch gegenüber einem elektrochemischen Akku ziemlich groß. Als Ausgleich für die großen Abmessungen, hat man das Aufladen durch die Möglichkeit des Austauschs der Brennstoffpatrone vereinfacht. So steht eine ständige Energiequelle, wie beim Auftanken des Autos, zur Verfügung.

Toshiba hat den Prototyp einer Brennstoffzelle für Laptops vorgestellt, die nach eigenen Angaben jedoch noch in den Kinderschuhen steckt. Es gibt noch keine Hinweise darauf, wann das Produkt kommerziell erhältlich sein wird. Ein Ersatz mit hoher Leistung, kleinen Abmessungen und zu einem wettbewerbsfähigen Preis wird noch Jahre auf sich warten lassen. In Abbildung 2 ist die DMBZ von Toshiba zu sehen. Die Mikro-Brennstoffzelle auf der linken Seite bietet eine Dauerleistung von 300 mW. Der Brennstoff besteht zu 99,5% aus Methanol und ist in einem 10 ml großen Behälter untergebracht. Links ist das Nachfüllen abgebildet.

Abbildung 3: Von einer Brennstoffzelle versorgter Fahrradlampe. Die 21 Kubikzentimeter große Patrone liefert eine Energie, die in etwa der von 10 alkalischen AA-Akkus entspricht. Das einzige Nebenprodukt ist Wasserdampf. Voll aufgefüllt beträgt die Laufzeit 20 Stunden.

Laut Angstrom Power hat die Fahrradlampe des Typs micro hydrogen™ in Winter- und Frühlingsbedingungen eine gute Leistung erbracht. Die Benutzer äußerten sich positiv. Der Wasserstoff ist in einer 21 Kubikzentimeter großen Patrone untergebracht und liefert eine Energie, die in etwa der von 10 alkalischen AA-Akkus entspricht. Das einzige Nebenprodukt ist Wasserdampf. Das Nachfüllen nimmt nur wenige Minuten in Anspruch und liefert eine Laufzeit von 20 Stunden.

So gut die Brennstoffzelle auch von außen aussehen mag, haben 15 Jahre Versuche eine ganze Anzahl von Problemen noch nicht lösen können. Dazu gehören das langsame Anlaufen und die niedrige elektrochemische Reaktion an der Anode. Das macht sich insbesondere bei der DMBZ bemerkbar. Eine Zelle liefert etwa 1 Volt; wird sie jedoch belastet, so sinkt die Spannung wegen des relativ hohen Innenwiderstands schnell ab. Abbildung 4 zeigt den Spannungsabfall in Abhängigkeit vom Laststrom. Es ist deutlich zu sehen, dass der Leistungsbereich recht schmal ist.

Abbildung 4: Leistungsbereich einer tragbaren Brennstoffzelle. Mit steigendem Laststrom sinkt die Zellenspannung wegen des hohen Innenwiderstands schnell ab. Der Leistungsbereich ist auf 300-800 mA beschränkt.

Die Belastung ist bei einer kleinen Fahrradlampe kein Problem, insbesondere, wenn es sich um ein LED handelt. Ein Laptop benötigt jedoch 40 Watt Leistung, was eine kleine Brennstoffzelle nicht mehr schaffen kann. Hier ist zur Unterstützung ein Akku notwendig. Die Brennstoffzelle dient dem Akku dann eher als Ladeelement. Das gleiche gilt für brennstoffzellengespeiste Handys und Kameras.

Noch hat die Brennstoffzelle nicht den umwerfenden Durchbruch geschafft, auf den die Mikroelektronik zurückblicken kann. Moores Gesetz gilt in diesem Fall wohl nicht. Die Probleme sind weiterhin niedrige Leistung, große Abmessungen, niedrige Lebensdauer und hohe Kosten. Auch verbieten die Sicherheitsvorschriften, dass Fluggäste den Brennstoff mit an Bord nehmen dürfen. Diese Vorschriften werden sich in den kommenden zwei Jahren voraussichtlich ändern. Die ICAO hat bereits eine Ausnahme beschlossen, gemäß der Methanol-Brennstoffzellen mit an Bord von kommerziellen Flügen genommen werden dürfen. Das gilt jedoch noch nicht für Wasserstoffgas.

Fazit
Nach Prüfung alternativer Energiequellen steht der herkömmliche Akku plötzlich sehr gut da. Er ist klein, sauber, leise und liefert sofort die benötigte Leistung. Ähnlich dem Verbrennungsmotor wird der Akku nicht leicht mit etwas zu ersetzen sein, das die gleiche Energiedichte bietet und genauso erschwinglich ist. Eine unerschöpfliche Brennstoffzelle wäre toll; noch jedoch sind wir auf die altmodische Elektrochemie, den Akku, angewiesen. Revolutionäre Neuentwicklungen für unsere mobilen Geräte sind nicht in Sicht. Auch die Atomfusion als potentielle Energiequelle ist noch nicht im Rennen.

Über den Autor
Isidor Buchmann ist Gründer und Geschäftsführer der in Vancouver / BC ansässigen Cadex Electronics Inc. Herr Buchmann ist in der Radiokommunikation zu Hause und hat das Verhalten von wieder aufladbaren Akkus über zwei Jahrzehnte hinweg anhand praktischer Anwendungen studiert. Als preisgekrönter Autor vieler Bücher und Artikel über Akkus hat Herr Buchmann auf Seminaren und Konferenzen auf der ganzen Welt technische Vorträge gehalten.
Cadex Electronics ist Hersteller von modernen Akku-Lade- und Akku-Analysegeräten sowie von PC-Software. Produktinformationen finden Sie im Internet unter www.cadex.com