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Aluminium-Batterie Neuer Super-Akku soll in einer Minute laden

Biegsam soll er sein, sicherer als Lithium-Ionen-Batterien und in nur einer Minute geladen: Forscher haben einen neuen Aluminium-Ionen-Akku mit genau diesen Eigenschaften vorgestellt – doch noch ist es nur ein Prototyp.

Forscher der Stanford University haben eine biegsame Akkuzelle entwickelt. Quelle: Screenshot

Forscher der US-Universität Stanford haben einen neuen Akku vorgestellt, der in einer Minute geladen werden, über 7500 Ladezyklen ohne Leistungsverlust überstehen und sogar biegsam sein soll. Der Prototyp basiert nicht wie handelsübliche Akkus auf der bekannten Lithium-Ionen-Technik, sondern arbeitet stattdessen mit Aluminium-Ionen.

Die Aluminium-Basis hat laut den Forschern zwei große Vorteile: Zum einen die lange Lebensdauer – bei Litihium-Ionen-Akkus beginnt der Leistungsverlusst bereits nach rund 100 Ladezyklen –, zum anderen die Belastbarkeit und Sicherheit der Akkus. Chemie-Professor Hongjie Dai sagte in einem Bericht des Fachmagazins "Nature", dass Lithium-Ionen-Batterien volatil sein könnten und zum Teil bei Beschädigung eine Feuergefahr von ihnen ausgehe. Mit Aluminium-Ionen umgehe man dieses Risiko.

Die Forscher behaupten sogar, man könne ihren Akku biegen – was besonders bei künftigen Smartphones mit flexiblen Displays interessant werden könnte –, und sogar durchbohren, ohne dass der Stromfluss dadurch unterbrochen werde. Ein Lithium-Ionen-Akku kann bei einer solchen Deformation Feuer fangen, wie etwa Unfälle mit dem Elektroauto Tesla Model S gezeigt haben.

Doch noch ist der Alu-Ionen-Akku ein Prototyp. Im Labor lieferte er eine Spannung von zwei Volt und konnte zu Testzwecken ein Smartphone betreiben. In weiteren Experimenten soll die Technik jetzt verbessert werden, Spannung und Energiedichte sollen steigen.

Die größten Hersteller von Elektroautos in Deutschland

Noch liefert die neue Technik nur rund die Hälfte der Spannung einer Lithium-Ionen-Zelle, zudem ist die Energiedichte um ein Dreifaches schlechter – was den Alu-Akku bei den selben Leistungsdaten noch deutlich schwerer macht. Die Forscher sind aber optimistisch: Auch eine Nutzung zur Speicherung großer Energiemengen, etwa in Kraftwerken, sei denkbar.

Wenn Spannung und Energiedichte zulegen, könnte der Alu-Akku auch für Elektroautos interessant werden – zumal die biegsamen Batterien vollkommen neue Möglichkeiten beim Design ermöglichen würden. Die Stromspeicher könnten so besser in die Karosserie integriert werden, unförmige Batteriepacks im Unterboden oder der Mittelkonsole würden dann der Vergangenheit angehören.

Wo die Batterien für den Leaf entstehen
Alles beginnt mit der Mutterrolle. Die Materialien werden von Nissan in Japan hergestellt und dann in die drei internationalen Batteriewerke des Autobauers geliefert – um dort erst zu Batteriezellen und später zu kompletten Batterieeinheiten weiterverarbeitet zu werden. Auf dieser Mutterrolle sind rund zwei Kilometer Elektrodenmaterial aufgewickelt. Das reicht für sieben Elektroautos. Quelle: Nissan
Vor der Verarbeitung werden die Rollen für Anoden und Kathoden genau kontrolliert und später in etwa Rechtecke von der Größe eines Din-A5-Hefts geschnitten. Bis es soweit ist, muss sich das Material aber erst „aklimatisieren“. Bevor es in die Zellenfertigung – einen rund 8.000 Quadratmeter großen Reinraum – darf, müssen die Rollen auf Zimmertemperatur kommen und in der trockenen Luft jegliche Feuchtigkeit abgeben. Diese würde genauso wie Staub den chemischen Prozess in der Batterie verschlechtern. Quelle: Nissan
Die Zellenfertigung selbst ähnelt eher einem Labor als einer Autofabrik. Im Dezember 2014 hat Nissan erstmals eine Journalistengruppe in die hermetisch abgeriegelte Halle gelassen. Aber nur in Kleingruppen: Zu viele Menschen auf einmal in dem Reinraum würden die Produktion beeinflussen. Bei jedem Atemzug verlieren wir etwas Flüssigkeit, die genauso wie die Körperwärme das Klima im Raum verändert. Bei einer Besuchergruppe von zehn Menschen kommt die Klimaanlage des Reinraums an ihre Grenzen. Quelle: Nissan
Das ist auch einer der Gründe, warum die meisten Prozesse in der Zellproduktion von Maschinen erledigt wird. Die Mitarbeiter im Reinraum warten und befüllen die Maschinen – und kontrollieren in jedem Schritt die Qualität. Fehlerhafte Zellen werden sofort in der Fabrik analysiert, um einen möglichen Fehler in der Produktion so gering wie möglich zu halten. In dieser Maschine werden die Materialrollen in passende Stücke geschnitten und in fünf Lagen miteinander zu einer Zelle verbunden: Außen jeweils eine schützende Folie, innen dann die Anoden- und Kathodenschicht, die wiederum von einem sogenannten Separator getrennt werden. Quelle: Nissan
Diese Zellen aus den fünf Schichten kommen nun zum kritischsten Arbeitsschritt: dem Befüllen mit der Elektrolytflüssigkeit. Ohne diese würde in der Zelle kein Strom fließen. Der Schritt wird in einem weiteren, noch stärker kontrollierten Raum durchgeführt. Diesen dürfen nie mehr als fünf Arbeiter gleichzeitig betreten – und auch nur mit Atemmaske, um keine Feuchtigkeit in den Raum zu bringen. Gelänge in diesem Schritt Feutchtigkeit oder Staub in die Zelle, würde sie nicht funktionieren. Quelle: Nissan
Ist die Zelle befüllt, dicht verschlossen und durch das sogenannte Altern der chemische Prozess in Gang gesetzt, sind die kritischsten Punkte der Produktion überstanden. Im nächsten Schritt werden nach einer weiteren Qualitätskontrolle jeweils vier Zellen in einem Metallgehäuse zu einem Modul verbunden. Quelle: Nissan
Die Module werden nach einer weiteren Kontrolle auf zwei Produktionsstraßen aufgeteilt: Die eine bereitet die Module für den Export nach Barcelona vor, wo sie zu einem Batteriepack zusammengebaut werden und später den Strom im Lieferwagen eNV200 speichern. Der Großteil der Module wird aber in Sunderland selbst zu Batterien verbaut, die dann in einem Nissan Leaf landen. Quelle: Nissan

In Euphorie sollten die Auto-Manager oder Smartphone-Entwickler aber noch nicht ausbrechen. „Auch Forschungseinrichtungen unterliegen dem Wettbewerb“, sagt Olaf Wollersheim, Projektleiter „Competence E“ am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). „Erfolge aus der Grundlagenforschung werden in ihrem Nutzen aus dem Laborversuch auf die spätere Anwendung hochgerechnet. Auf dem tatsächlichen Weg dahin gehen aber häufig mehrere Größenordnungen dieses Nutzens wieder verloren.“

Auch Tesla-Gründer Elon Musk äußerte sich skeptisch über die Meldung aus Stanford. Per Tweet warnte Musk davor, bei unbestätigten Entwicklungen zu euphorisch zu sein. „Batterie-"Durchbrüche" müssen Energie und Energiedichte beweisen“, so Musk. „Das ist nicht dasselbe. Normalerweise scheitern sie an der Energie.“ Damit verfolgt Musk natürlich auch seine eigenen Ziele, Tesla will mit seiner Giga-Factory zu den größten Produzenten von Lithium-Ionen-Akkus aufsteigen.

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