Beim Ladevorgang läuft dieser Prozess umgekehrt ab: Da nun eine Spannung anliegt, die größer ist als die Spannung, die in der Batterie herrscht, wandern die Lithiumionen wieder zur Anode und werden dort eingelagert. „Die Batterie ist geladen, weil das Lithium an der Anode auf einem höheren Potenzial vorliegt“, erklärt Figgemeier. Man muss also Energie aufbringen, um das Lithium von der Kathode zur Anode zu bringen – umgekehrt wird Energie freigesetzt. Lithiumionen eignen sich so besonders gut, weil sie ein besonders großes Potenzial in der Batterie erzeugen können, nämlich rund vier Volt. Bei anderen Batterien sind diese Potenziale nicht so hoch. „Bei einer so hohen Energiedichte kann auch grundsätzlich mehr Energie frei werden. Das Schlimmste, was einem passieren kann, ist der Kurzschluss bei vier Volt.“
Ein Kurzschluss tritt auf, wenn zwischen Kathode und Anode ein unkontrollierter elektrischer Strom fließt, weil die Spannung zwischen den beiden Polen auf nahezu Null abfällt – etwa, weil sich die beiden Elektroden berühren oder weil eine metallische Verbindung zwischen ihnen besteht. „Dann kann innerhalb sehr kurzer Zeit sehr viel Energie sehr punktuell frei werden. Die Temperatur steigt an diesen Stellen extrem an und der Akku kann sich derart aufheizen, dass die Zündtemperatur des organischen Elektrolyten überschritten wird“, beschreibt Figgemeier den Vorgang. „Wenn das passiert, geht es erst richtig los, weil sich der Elektrolyt massiv zersetzt, wodurch noch mehr Energie frei wird, und er wird zusätzlich auch noch mit Sauerstoff aus der Kathode versorgt, der dort intern frei wird. Der Sauerstoff wird als Brennmaterial quasi gleich mitgeliefert.“ Diese Kette von Ereignissen lässt den Lithiumionen-Akku schließlich in Flammen aufgehen oder sogar explodieren.
Kurzschluss hat verschiedene Ursachen
„So ein interner Kurzschluss kann verschiedenste Ursachen haben“, erzählt Figgemeier. „Vor einigen Jahren sind beispielsweise ein paar Dutzend Laptops abgebrannt. Da hat es wohl Verunreinigungen bei der Produktion gegeben, sodass irgendwo Metallspäne mitverarbeitet worden und so in die Zellen gelangt sind. Diese können den Separator durchstechen.“ Neben solchen Verunreinigungen bereitet manchmal auch das Lithium selbst Probleme – und zwar, wenn es nicht einzeln eingelagert im Elektrodenmaterial, sondern verbunden als metallisches Lithium vorliegt. Diese Form von Lithium leitet den elektrischen Strom und kann dadurch einen Kurzschluss verursachen: Es wirkt wie eine Brücke zwischen den beiden Elektroden.
Besonders schwerwiegend kann dieses Problem in sogenannten primären Lithiumbatterien werden, die eigentlich nur für den einmaligen Gebrauch bestimmt sind. „Solche Lithiumprimärbatterien kommen beispielsweise in Hörgeräten zum Einsatz“, berichtet Figgemeier. „Die Anode besteht hier nicht aus Graphit, sondern direkt aus einer Lithiumfolie. Wenn man diese Lithiumfolie wieder aufladen würde, also Lithium darauf abscheidet, dann bilden sich sogenannte Dendriten. Das sind dünne Fäden aus metallischem Lithium, die immer weiter wachsen. Die Dendriten durchschlagen den Separator und verursachen einen Kurzschluss. Das ist im wahrsten Sinne des Wortes brandgefährlich.“
In Lithiumionen-Batterien sind die Lithiumionen zwischen den Graphitschichten eingelagert, wodurch das Wachstum von metallischem Lithium unterbunden wird. „Aber in der Natur ist nichts perfekt“, sagt Figgemeier. „Unter falschen Lade- und Entladebedingungen und bei falschen, beispielsweise sehr tiefen, Temperaturen, kann es eben doch vorkommen, dass auch in Lithiumionen-Akkus metallisches Lithium entsteht und ganz langsam seine Fühler auf die andere Seite ausstreckt.“ Die Verbindung zwischen den beiden Elektroden ist hergestellt, schlagartig fließt Strom und das Handy fängt an zu brennen.
Das Risiko steigt auch, weil Hersteller heutzutage möglichst dünne Handys bauen möchten und deshalb die Akkuzellen immer weiter verdichten. „Man hat zwanzig Jahre lang versucht, immer dünnere Zwischenräume zwischen Anode und Kathode zu bauen, mit immer dünneren Separatoren, und auch die Elektroden wurden immer weiter verdichtet. Doch irgendwann gibt es physikalische Grenzen“, erläutert Figgemeier.
Hersteller arbeiten bereits daran, die Akkus durch einen verbesserten Aufbau noch sicherer zu machen. So könnten beispielsweise keramikbeschichtete Separatoren für eine robustere Isolierung sorgen. Eine andere Idee ist, den organischen Elektrolyten durch Polymere zu ersetzen. Grund zur Sorge bestehe laut Figgemeier aber auch mit den jetzigen Lithiumionen-Akkus nicht. Schließlich gibt es weltweit Milliarden von Lithiumionen-Batterien, die einwandfrei funktionieren, im Vergleich zu den wenigen Dutzend, die ab und zu Schlagzeilen machen. „Die Lithiumionentechnologie bietet sicherlich noch Potenzial für Verbesserungen, vor allem was die verwendeten Materialien betrifft“, so Figgemeier. „Und sie lässt sich sicher handhaben, wenn man die Grenzen nicht bis zum Äußersten ausreizt.Elektro-Pionier Henrik Fisker verspricht einen Akku, der nach einer Minute Laden 800 Kilometer Reichweite ermöglicht. Batterie-Experte Werner Tillmetz hält das für unrealistisch - und erklärt, warum gerade westliche Autobauer so sehr auf Wunder-Akkus hoffen.
Diese Szene aus dem Film "Zurück in die Zukunft" ist legendär: "1.21 Gigawatt! Wie erzeugt man soviel Strom?", fragt sich "Doc" Emmett Brown und starrt hilfesuchend auf ein Porträt von Thomas Edison. Weil das nötige Plutonium für Docs zur Zeitmaschine umgebauten DeLorean fehlt, muss es ein Blitz richten. Der Rest ist Kino-Geschichte .
Die Autowelt ist heute ebenfalls auf der Suche nach Strom - vor allem nach Durchbrüchen in der Akku-Technik. Weil die aktuell gebräuchlichen Lithium-Ionen-Akkus zwar große Fortschritte machen , aber eben nicht genug, müssen neue Konzepte her. Eins davon ist die "Solid State Batterie". Der Feststoff-Akku gilt durch den Wegfall eines flüssigen Elektrolyts unter anderem als besonders temperaturbeständig und sicher. Zudem soll die Energiedichte etwa doppelt so groß sein wie bei den aktuell gebräuchlichen Lithium-Ionen-Akkus. Das würde dann auch höhere Reichweiten mit sich bringen.
Der deutsche Automobilzulieferer Continental erwägt hohe Investitionen in die neue Technik. "Wir können uns gut vorstellen, in die Herstellung innovativer Batterien einzusteigen" sagte Conti-Vorstandschef Elmar Degenhart zur "Automobilwoche". Man brauche eine Technologiesprung bei Energiedichte und Kosten; deshalb kämen Investitionen in die Lithium-Ionen-Technik nicht infrage. Vor wenigen Tagen sorgte Elektro-Pionier Henrik Fisker dann für einen Paukenschlag in der Elektro-Szene: In sechs bis sieben Jahren sollen seine Luxus-Stromer mit Feststoff-Akkus fahren - und in nur einer Minute 800 Kilometer Reichweite nachtanken.Mit USB Typ C kommen spannende neue Zubehör-Lösungen auf den Markt. Der Gaming-fokussierte Hersteller Razer hat jetzt eine interessante Power Bank vorgestellt, mit der man Notebooks aufladen kann.
USB C ist einer der großen Trends im Notebookbereich in 2017. Wenn ein Notebook keinen USB-Typ-C-Anschluss, dann taucht das auch bei uns im Test als Kritikpunkt auf. Zurecht: Zwar haben viele Nutzer zu diesem Zeitpunkt noch kein USB-C-Zubehör, aber von der Zukunftssicherheit her sollte eigentlich jedes Notebook einen USB-C-Anschluss bieten.
Schließlich geht USB C über den simplen USB-Standard hinaus, vollständig implementiert kann USB C auch DisplayPort, Thunderbolt 3 und Power-Delivery (PD), also das Aufladen des Notebooks per USB C, unterstützen. Gerade Letzteres ist ein sehr spannendes Feature, verspricht es doch eine Zukunft, in der es endlich keine proprietären Netzteile mehr gibt und man sein Notebook und Smartphone mit einem Netzteil laden kann.
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