Mobile Stromversorgung

Löst die Brennstoffzelle den Li-Ionen-Akku ab?

16.04.2007 | Autor / Redakteur: Isidor Buchmann* / Thomas Kuther

Akkus sind nach wie vor die Energiespender Nummer 1 in portablen Geräten wie Mobiltelefonen, Laptops oder Digitalkameras. Allerdings haben Pannen und Rückrufaktionen im vergangenen Jahr den guten Ruf des Lithium-Ionen-Akkus angekratzt, sodass derzeit die Brennstoffzelle als Alternative im Gespräch ist.

Mit zunehmender Verbreitung von Akkus wuchs auch der Wunsch nach längeren Laufzeiten. Und so erhöhten die Akkuhersteller die Menge aktiven Materials pro Zelle und führten die Elektroden und Separatoren dünner aus. Seit der Einführung von Lithium-Ionen-Akkus im Jahre 1991 konnte die Energiedichte auf diese Weise verdoppelt werden.

Doch die hohe Energiedichte hat ihren Preis – denn je dichter die Zelle, desto schwieriger ihre Herstellung. So kann bei einer Separatordicke von nur 20 … 25 ?m ein winziges, eingedrungenes Metallteilchen schwerwiegende Folgen haben. Beim Akkuhersteller Sony, der im vergangenen Jahr mit seiner Rückrufaktion von Lithium-Ionen-Zellen in die Schlagzeilen geraten war, hält man es allerdings für äußerst unwahrscheinlich, dass ein solches Metallteilchen in Kontakt mit anderen Teilen der Akkuzelle kommt und einen Kurzschluss verursacht.

Mehr Sicherheit schaffen

Lithium-Ionen-Akkus nähern sich in Sachen Speicherdichte mittlerweile der Grenze des physikalisch Machbaren. Deshalb konzentrieren sich die Hersteller nun mehr auf die Optimierung von Produktionsmethoden und Sicherheit. Die Rückrufaktionen des vergangenen Jahres werden noch lange nachwirken. So rechnen Wirtschaftsexperten mit Lieferverzögerungen und höheren Akkupreisen – das Recycling von 10 Mio. Lithium-Ionen-Akkupacks ist schließlich keine einfache Aufgabe. 70 Mio. Zellen der fehlerhaften Packs müssen ersetzt werden. Der größte Hersteller von Lithium-Ionen-Akkus ist mit monatlich 42 Mio. Zellen Sanyo, gefolgt von Sony mit 27 Mio. und Samsung mit 26 Mio.

Sichere Alternative

Doch es gibt auch eine sicherere Alternative zu Lithium-Ionen-Akkus: Mangan- und Phosphat-Lithium-Ionen-Zellen. Diese sind in Sachen thermischer Stabilität den heute in Laptops und Handys üblichen Kobalt-Lithium-Ionen-Akkus überlegen. So werden Kobaltzellen bereits bei 150°C instabil - ein Zustand, der zu einem thermischen Durchgehen führen kann und bei dem flammende Gase austreten. Mangan und Phosphat dagegen halten Temperaturen bis 250°C aus. Nach Meinung von Experten und Branchenanalysten werden die Kobalt-Lithium-Ionen-Zellen jedoch keineswegs so schnell von ihren Mangan- und Phosphat-Derivaten verdrängt.

Das Mangan-System gibt es seit 1996. Wegen ihres niedrigen Innenwiderstands und der Fähigkeit zu hohen Lastströmen eignen sich solche Akkus vor allem für Elektrowerkzeuge. Auf das Phosphat-System setzen Valence Technologies und A123Systems. Der Unterschied zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus ist ihre Nennspannung von 3,3 V gegenüber sonst üblicher 3,6 V.

Obwohl die Mangan- und Phosphat-Systeme den Kobalt-Systemen in Bezug auf Sicherheit und Laststrom überlegen sind, haben sie doch einen entscheidenden Nachteil: eine niedrige Energiedichte. Bild 1 zeigt Energiedichte von Bleisäure, Nickel-Kadmium und Nickelmetallhydrid im Vergleich zu den drei Lithium-Ionen-Systemen. Die größere Energiedichte von Kobalt im Vergleich zu den anderen Li-Ionen-Systemen ist deutlich zu sehen.

Brennstoffzellen auf dem Vormarsch

Die Brennstoffzelle hat in den vergangenen Jahren viel Aufsehen erregt. Für viele ist sie die Energiequelle der Zukunft. Dabei ist die Brennstoffzelle keineswegs neu: Sir William Grove entwickelte bereits 1839 das erste Modell. Obwohl die Brennstoffzelle dem Verbrennungsmotor voraus war, blieb sie bis 1950 Außenseiter, als sie in Raumfahrt- und Militäranwendungen der USA zum ersten Mal zum Einsatz kam. In den 80er Jahren wurde die Brennstoffzelle nochmals wiederbelebt, als Wissenschaftler und Aktienhändler sie als „saubere“, vom unerschöpflichen Wasserstoff gespeiste Energiequelle anpriesen, mit der sich Autos antreiben und Haushalte mit Elektrizität versorgen lassen. Hohe Herstellungskosten und eine kurze Lebensdauer standen jedoch einer allgemeinen Akzeptanz im Wege.

Zum Betrieb einer Brennstoffzelle werden Wasserstoff und Sauerstoff benötigt. 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 (Bild 2), seinen Gästen mit diesem Wasser angesetzten Tee zum Trinken anbot. Die theoretische Energieabgabe einer Brennstoffzelle ist hoch, die Hälfte geht jedoch als Wärme verloren.

Laptops im Methanolbetrieb

In den vergangenen Jahren kamen tragbare Versionen der Brennstoffzelle auf den Markt. Die vielversprechendste Mini-Brennstoffzelle ist die Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMBZ). Sie ist preisgünstig, einfach, benötigt kein unter Druck gespeichertes Wasserstoffgas und bietet eine relativ gute elektrochemische Leistung. Typische Systeme liefern heute 900 Wh und haben eine Energiedichte von 102 Wh/l. Sie sind im Vergleich zu elektrochemischen Akkus relativ groß, allerdings vereinfacht sich das „Aufladen“, da nur die Brennstoffpatrone getauscht werden muss. Auch erste Prototypen von Brennstoffzellen für den Betrieb von Laptops wurden vorgestellt (Bild 3). Allerdings gibt es derzeit noch keine Hinweise, wann diese Produkte kommerziell erhältlich sein werden. Damit lässt eine echte Akkualternative mit hoher Leistung, kompakten Maßen und zu einem wettbewerbsfähigen Preis sicher noch auf sich warten. Die Mikro-Brennstoffzelle von Toshiba beispielsweise bietet eine Dauerleistung von 300 mW, wobei der Brennstoff zu 99,5% aus Methanol besteht und in einem 10 ml großen Behälter untergebracht ist.

Reines Wasser

Angstrom Power hat Brennstoffzellensysteme unter der Bezeichnung „Micro Hydrogen“ vorgestellt, die den Sauerstoff der Umgebungsluft entnimmt und bei normalen Umgebungsbedingungen betrieben werden kann. Die Vorteile reinen Wasserstoffs gegenüber Methanol sind ein höherer Wirkungsgrad und kleinere Abmessungen. Basis der Systeme sind die gerade einmal 14 g wiegenden V60-Module mit einem Volumen von 3 ccm, die bei 5 V eine Leistung von 300 mW liefern. Aus acht solchen Modulen besteht das portable Brennstoffzellensystem G2 (Bild 4), das sich mit 5 V/ 2 W und 12 Wh u.a. als Stromversorgung und zum Nachladen von Mobiltelefonen, PDAs etc. eignet. Ebenfalls auf der „Micro Hydrogen“-Technologie basiert die Taschenlampe A2, deren 1-W-LED bis zu 30 Stunden mit einer Wasserstofffüllung betrieben werden kann.

Es gibt noch viel zu tun

So gut die Brennstoffzelle auch von außen aussehen mag: 15 Jahre Versuche konnten eine ganze Reihe von Problemen noch nicht lösen. 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 V. Wird sie jedoch belastet, so sinkt die Spannung wegen des relativ hohen Innenwiderstands schnell ab. Bild 5 zeigt den Spannungsabfall in Abhängigkeit vom Laststrom. Es ist deutlich zu sehen, dass der Leistungsbereich recht schmal ist. Die Belastung ist bei einer kleinen Fahrradlampe kein Problem, insbesondere, wenn sie mit Leuchtdioden bestückt ist. Ein Laptop benötigt dagegen rund 40 W, was eine kleine Brennstoffzelle nicht mehr schaffen kann. Deshalb ist zur Unterstützung ein Akku notwendig und die Brennstoffzelle dient dem Akku eher als Ladeelement. Das gleiche gilt, wenn man Mobiltelefone oder Kameras mit Brennstoffzellen betreiben möchte.

Noch kein Durchbruch in Sicht

Noch hat die Brennstoffzelle also nicht den Durchbruch geschafft, auf den die Mikroelektronik zurückblicken kann. Moores Gesetz gilt in diesem Fall wohl nicht. Die Probleme sind nach wie vor niedrige Leistung, große Abmessungen, niedrige Lebensdauer und hohe Kosten. Zudem dürfen Fluggäste keinen Brennstoff mit an Bord nehmen. Diese Vorschriften werden sich in den kommenden zwei Jahren allerdings voraussichtlich ändern. So hat die internationale Zivilluftfahrt- Organisation ICAO bereits eine Ausnahme beschlossen, gemäß der Methanol-Brennstoffzellen mit an Bord von kommerziellen Flügen genommen werden dürfen. Das gilt jedoch noch nicht für Wasserstoffgas.

Der Akku bleibt die erste Wahl

Nach Prüfung alternativer Energiequellen steht der herkömmliche Akku wieder sehr gut da: Er ist klein, sauber, leise und liefert prompt die benötigte Leistung. Ähnlich dem Verbrennungsmotor wird auch der Akku nicht so einfach durch eine Technologie zu ersetzen sein, welche die gleiche Energiedichte bietet und ebenso erschwinglich ist. Eine unerschöpfliche Brennstoffzelle wäre ideal – noch jedoch sind wir auf die altmodische Elektrochemie des Akkus angewiesen. Revolutionäre Neuentwicklungen für mobilen Geräte sind derzeit noch nicht in Sicht.

*Isidor Buchmann ist Gründer und Geschäftsführer der Cadex Electronics Inc., Vancouver / BC

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