Akkus für die Smartphone-Industrie: Mit der Energiedichte steigt das Risiko

Weltweit arbeiten Forscher daran, Energiespeicher noch besser zu machen. Die Akkus sollen leistungsfähiger werden, aber auch kleiner.

Der Trend geht zu energiereicheren und noch kleineren Akkus   Foto: imago/Christian Ohde

Brennende Smartphone-Akkus im Flugzeug oder im Uni-Saal sorgten im vergangenen Jahr für Schlagzeilen. Der südkoreanische Technologiekonzern Samsung musste weltweit rund 2,5 Millionen Smartphones der Marke Galaxy Note 7 zurückrufen. Aber nicht nur Samsung hatte Probleme, auch das iPhone 6 Plus von Apple soll in vereinzelten Fällen schon Feuer gefangen haben. Werden Akkus also zunehmend zu einem Sicherheitsproblem?

„Nein, die Entwicklung in der Akkuproduktion führt nicht zu vermehrten Zwischenfällen“, sagt Christian Herzog, Technikexperte beim Bundesverband Informationswirtschaft, Telekommunikation und neue Medien (Bitkom). „Defekte Akkus und entsprechende Rückrufaktionen hat es immer mal wieder gegeben.“

Was sich verändert habe, sagt Herzog, sei unsere Wahrnehmung auf die Problematik, die mit der weiten Verbreitung und permanenten Nutzung der Geräte einhergehe. Smartphones haben größere Displays, werden intensiver genutzt und versenden in kurzen Zeitabständen Datenpakete, so Herzog. Und das zieht ordentlich Strom.

Also gebe es bei der Herstellung von Akkus sowie in der Forschung gewisse Trends, die das Ziel verfolgen, die Energiedichte von Akkus weiter zu erhöhen. Eine Entwicklung, die sich gerade am Markt etabliert, ist der im Handy fest eingebaute Akku.

„Die festverbauten Akkus sind in Folien verpackt und haben weniger Volumen bei gleicher Kapazität“, sagt Herzog. Die Plastikhülle, die einen herausnehmbaren Akku umhüllt, könne man sich dann nämlich sparen. Dafür können Handynutzer die Batterie nicht selbst entfernen. „Die festeingebauten Akkus haben den Vorteil, dass sie, wenn nötig, nur von Fachleuten ausgetauscht werden können“, sagt der Technikexperte. Es könne nämlich vorkommen, dass private Handynutzer einen günstigeren, aber falschen Akku, oder versehentlich sogar eine Markenfälschung verwenden und das könne wiederum erhebliche Folgen für die sichere Nutzung des Handys bedeuten.

Optimale Raumnutzung

Die Batterien werden also immer kleiner gestaltet, um mehr Raum für andere Bauteile freizumachen. Das führe aber dazu, dass in diesen Lithium-Ionen-Batterien, also den Smartphone-Akkus, der Raum optimal genutzt werden müsse, sagt Henning Lorrmann, Leiter des Fraunhofer-Forschungs- und Entwicklungszentrums Elektromobilität in Bayern.

Alle Bauteile, die keinen Strom benötigen, würden daher immer dünner und kleiner gemacht, um mehr Raumvolumen für die aktiven, also stromabhängigen Komponenten zu schaffen – und damit wieder die Energiedichte zu erhöhen. Je enger man alle Bauteile in einem Akku verdichtet, desto geringer seien jedoch die Sicherheitsreserven, sagt Lorrmann.

Ein gutes Beispiel für diese Entwicklung sind die sogenannten Separatoren. Der Separator im Akku ist eine hauchdünne Kunststofffolie, die den Minuspol und Pluspol trennt, damit es nicht zu einem Kurzschluss kommt. Bei Handyakkus ist die Folie mittlerweile in der Größenordnung von nur 10 Mikrometer, also 0,01 Millimeter, angekommen. Hier ist absolute Präzisionsarbeit angesagt, sagt Lorrmann. Wird die Batterie dann nicht optimal in das Handy eingebettet, können schon bei geringster Druckausübung Risse entstehen, die in weiterer Folge wegen fehlender Sicherheitsreserven Kurzschlüsse und brennende Akkus auslösen können.

Außerdem erkenne man auch in den verwendeten Materialien gewisse Trends, sagt der Forscher. Ein Beispiel ist die Zusammensetzung der so genannten NCM-Oxide in den Lithium-Ionen-Akkus. Die Oxide speichern auf der Pluspol-Seite des Akkus die Lithium-Ionen und setzen sich aus Mangan, Nickel und Kobalt zusammen.

Hohe Energiedichten

Dabei ist Nickel für die Energiedichte zuständig. Es gibt verschiedene Möglichkeiten die Stoffe ins Verhältnis zu setzen, der Trend gehe jedoch zu Lithium- und Nickelreichen Verbindungen mit hohen Energiedichten, sagt Lorrmann. Das habe auch Einfluss auf die Sicherheit und die Lebensdauer der Zellen.

Mit der Frage der Energiedichte hat sich auch das Forscherteam des Paul Scherrer Instituts und der ETH Zürich beschäftigt. Das Team unter der Leitung von Claire Villevieille hat ein Verfahren entwickelt, um die Leistung von Lithium-Ionen-Akkus deutlich zu steigern. In ein oder zwei Jahren soll die neue Methode für die Hersteller einsetzbar sein, so die Forscherin.

Was es dazu braucht ist der Einsatz eines Magneten, ähnlich wie ein Kühlschrankmagnet, welcher in der Grafit-Anode einer Lithium-Ionen-Batterie, also deren Minuspol, verwendet wird. Der Magnet hat dabei die Aufgabe, die Grafitflocken einer Anode vertikal und parallel zueinander auszurichten. So haben die Ionen kürzere Wege. Das bedeutet in der Praxis, dass das Handy schneller aufgeladen werden könne und der Akku deutlich länger halte, so die Forscher.

Das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung (ISC) forscht derzeit hingegen mit dem kanadischen Elektrizitätsversorgungsunternehmen Hydro-Québec an der Entwicklung von Festkörperbatterien – zum Beispiel für den Bereich Elektromobilität. Bei der Festkörperbatterie wird der üblicherweise flüssige Elektrolyt gegen einen festen Elektrolyt, beispielsweise aus Glaskeramik, ausgetauscht. Elektrolyte transportieren in den Lithium-Ionen-Akkus Ionen kontrolliert zwischen Anode und Kathode, und leiten so den elektrischen Strom.

Brandrisiko minimiert

„Ein fester Elektrolyt, welcher gleichzeitig auch die Rolle des Separators einnimmt, wäre sicherer, da das Brandrisiko so minimiert werden kann“, sagt Lorrmann. Vor allem multinationale Konzerne wie Apple und Toyota treiben die Entwicklung der Festkörperbatterien an. Die Energiedichte soll im Vergleich zu den herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien verdoppelt werden.

Festkörperbatterien könnten das Risiko von Bränden tatsächlich minimieren, aber mit der neuen Technologie seien wieder andere Herausforderungen verbunden, sagt Villevieille. Eine dieser Fragen sei, wie schnell die Elektrolyte leiten oder wie sich der Akku bei starken Temperaturwechseln verhält. „Festkörperbatterien haben Zukunft, aber es wird noch einige Jahre dauern, bis diese auf den Markt kommen“, sagt die Forscherin. In kleinen Dimensionen, wie Chipbatterien, werden diese Akkus jedoch bereits angewendet.

Egal ob fest eingebauter Akku, neu angeordnete Grafitflocken in Anoden oder Festkörperbatterien: Die Forschung und Verbesserung von Smartphone-Akkus verläuft fließend. Der Faktor Sicherheit werde im Entwicklungsprozess vorausgesetzt, sagt Lorrman. Smartphone-Akkus seien daher die „High-End-Produkte“ im Bereich der Kleinelektronik.

Schließlich gehe es immer mehr in Richtung der stärkeren Verdichtung, neuer Materialzusammensetzungen und immer kleineren Bauelementen im Mikrometerbereich.