Die führende Marke für mobile Energie!

Akkuvergleich: Die Energiedichte verschiedener Akkutypen

Begriffserklärung der Energiedichte

Die Energiedichte ist ein nicht einheitlich definierter Wert, der in der Regel die gespeicherte Energiemenge pro Volumen angibt. Dieser Wert wird insbesondere für aufladbare Batterien (Akkumulatoren) angegeben. Im Grunde beschreibt er, wie viel Energie in einem Kilogramm enthalten ist oder gespeichert werden kann. Im Vergleich zu flüssigen Brennstoffen wie Benzin oder Diesel haben Akkus eine weitaus kleinere Energiedichte. Erstere besitzen eine Energiedichte von rund 12.000 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg). Ein Blei-Säure-Akku dagegen hat eine 350-fach geringere Energiedichte (35 Wh/kg). Blei-Säure-Akkus werden zum Beispiel als Autobatterien verwendet. Um sich die Energiedifferenz vor Auge zu führen: In einem einzigen Liter Benzin befindet sich genauso viel Energie wie in Autobatterien, die insgesamt 350 Kilogramm auf die Waage bringen.

Akkus im täglichen Einsatz

Glücklicherweise kommt die Technik aus Autobatterien nicht in den Akkus zum Einsatz, die wir täglich verwenden. Viele Batterien die wir heute nutzen sind alkalische Batterien, deren Energiedichte doppelt so hoch wie bei Autobatterien ist. Neben der höheren Energiedichte haben sie gegenüber Blei-Säure-Akkumulatoren einen weiteren Vorteil: Der Wartungsbedarf ist vergleichsweise gering. Lediglich das verdunstete Batteriewasser muss aufgefüllt werden. In den 1980er Jahren gab es eine revolutionäre Neuheit. In einem Labor im Land der aufgehenden Sonne entdeckten Forscher von Sony Lithium-Kohlenstoff-Intercalations-Verbindungen. Diese Entdeckung machte die Lithium-Ionen-Technologie marktreif. Diese Batterien erreichen eine Energiedichte von etwa 120 Wh/kg, also 3,5 Mal mehr als eine Autobatterie. Lithium-Ionen-Batterien werden heute in praktisch allen akkubetriebenen Geräten verwendet, unter anderem im Haushalt zur Energiespeicherung, zum Antrieb von Hybrid-Elektrofahrzeugen oder in Notebooks, Smartphones und Kameras. Nachfolgend ein Überblick über die Energiedichte verschiedener Akkutypen:

AkkutypEnergiedichte Wh/kg
Bleiakku 30 - 40
NiCd-Akku 40 - 50
NiMH-Akku 60 - 80
NiMH-LSD 60 - 80
Li-Ion-Akku 120 - 180
LiPo-Akku 130 - 150

Ein weiterer Leistungsparameter ist die spezifische Leistung (W/kg): Sie beschreibt die Leistung, die zum Erreichen der Entladespannung in Bezug zum Gewicht benötigt wird. [caption id="attachment_479" align="aligncenter" width="1000"]Energiespeicher Energiespeicher[/caption]

Zukunftsmusik: Den Akku neu erfinden

Konzentrieren wir uns an dieser Stelle auf die mobile Welt, dann ist es kein Geheimnis, dass der Lithiumionen-Akku das Bindeglied zwischen sein und nicht sein darstellt. Derzeit gibt es keinen anderen Energiespeicher, der diesem Akku das Wasser reichen kann. Mehr als fünf Milliarden Li-Ionen-Batterien wurden im vergangenen Jahr verkauft und kommen in Notebooks, Smartphones, Kameras und Elektroautos zum Einsatz. Laut George Crabtree, Direktor des Joint Center for Energy Storage Research (JCESR), „ist es die beste Batterietechnologie, die es je gab.“ Trotzdem gibt es Luft nach oben. Allein in den vergangenen Jahren konnten Forscher Li-Ionen-Akkus ständig weiterentwickeln. Im Vergleich zu den ersten Versionen von Sony aus dem Jahr 1991 speichern die heutigen Akkus zweimal so viel Energie pro Gewicht. Doch schon bald stoßen die Batterien an ihre Grenzen. In Zukunft sollen Lithiumionen-Akkus nur 30 Prozent mehr Energie je Gewicht fassen können, so Forscher. Ein Elektroauto wird demnach nie die Reichweite eines Fahrzeugs mit Benzintank erreichen können. Nicht nur Autos werden von den Akkus zurückgehalten, bereits in aktuellen Smartphones ist zu sehen, wie schwach die Akkulaufzeit ist. Stromhungrige Geräte fressen die Energie in etwa einem Tag restlos auf. Die Vereinigten Staaten haben das Problem der Lithiumionen-Akkus bereits 2012 erkannt. Sie gaben dem JCESR ein Budget in Höhe von 120 Millionen US-Dollar, um einen Nachfolger zu entwickeln. In rund fünf Jahren sollen neue Batterien entstehen, die eine fünfmal höheren Energiedichte, fünfmal günstiger und dieselben Maße eines Akkus für Elektroautos besitzen. Das Ziel lautet demnach, bis 2017 einen Akku zu entwickeln, der eine Energiedichte von 400 Wattstunden je Kilogramm (Wh/kg) erreicht. Während Crabtree das Ziel als „sehr ambitioniert“ bezeichnet, hält der Batterieforscher Jeff Dahn es für „unmöglich“. Seiner Meinung nach konnte man die Energiedichte aufladbarer Batterien seit den Blei-Nickel-Akkus in den 1900er Jahren lediglich um das Sechsfache steigern. Dennoch steht das JCESR mit seiner Forschung nicht alleine dar. Zahlreiche Forscher rund um die Erde versuchen ebenfalls, einen würdigen Nachfolger für die Lithium-Ionen-Technologie zu finden.

4 neue Akkutechnologien mit Marktpotenzial

Forscher rund um den Globus arbeiten daran, eine neue Akkutechnologie zu finden, die in puncto Energiedichte zufriedenstellend sind. Folgende Akkutypen haben ersten Ergebnissen zufolge großes Potenzial:

  1. Lithium-Schwefel-Akku: Chemieingenieur Elton Cairns gab 2013 bekannt, dass er einen bis dato problembehafteten aber viel versprechenden Batterietyp in den Griff bekommen hat. Eine münzgroße Akkuzelle konnte er mehrere Monate lang auf- und entladen - dennoch blieb sie sehr leistungsfähig. Insgesamt 1.500 Ladezyklen durchliefen seine Batterien und büßten dabei nur die Hälfte ihrer Kapazität ein. Die auf Lithium-Schwefel-Technologie (Li-S) basierenden Batterien sollen sehr kostengünstig sein und fünfmal mehr Energie je Gewicht speichern können als Li-Ionen-Akkus.
  2. Magnesium-Ionen-Batterie: Das leichteste Material im Periodensystem, Lithium, besitzt große Gewichtsvorteile. Einige Forscher sind aber davon überzeugt, dass schwerere Elemente, Magnesium zum Beispiel, praktischer sind. Sie besitzen nämlich zwei elektrische Ladungen, Lithiumionen nur eine. Demnach lässt sich mehr Energie im selben Volumen freisetzen. Magnesium macht Forschern jedoch Probleme: Durch Elektroden und Elektrolyt bewegt es sich relativ langsam. Zahlreiche Unternehmen versuchen nun, dieses Problem zu erforschen und zu lösen.
  3. Natrium-Sauerstoff-Batterie: Winfried Wilcke arbeitet seit fünf Jahren als Leiter des Bereiches Nanowissenschaften und -technologie bei IBM an einem Projekt, das Akkus für Elektroautos entwickelt. Er begeistert sich aktuell für Na-O-Batterien, die Theorien zufolge eine halb so gute Energiedichte wie Lithium-Sauerstoff-Batterien (Li-O) erreichen. Dies wäre bereits eine fünfmal höhere Energiedichte als Li-Ionen-Akkus, zudem ist Natrium erschwinglicher als Lithium.
  4. Lithium-Sauerstoff-Batterie: Obwohl Wilcke zunächst an Li-O-Batterien arbeitete, hat er diese Technik mittlerweile aufgegeben. Seit 20 Jahren versuchen Forscher, den Batterietrieb markttauglich zu machen. Der unerwünschte Nebeneffekt: Elektrodenmaterial und Kohlenstoff im Elektrolyten reagieren mit Sauerstoff und Lithium zu Lithiumkarbonat. Dadurch geht bei jedem Ladezyklus zwischen fünf und zehn Prozent der Batteriekapazität verloren. Die Batterie ist nach nur 50 Ladezyklen „erstickt“ und somit für Fahrzeuge ungeeignet.

Artikelbild: © In Green / Shutterstock

Tags: Akkus
Bitte geben Sie die Zeichenfolge in das nachfolgende Textfeld ein

Die mit einem * markierten Felder sind Pflichtfelder.