Um die Leistung von Akkus zu verbessern, muss man sie nicht unbedingt neu erfinden: „Die meisten Forscher konzentrieren sich in diesem Wettbewerb auf die Entwicklung neuer Materialien", sagt Claire Villevieille, Leiterin der Forschungsgruppe Batteriematerialien am Paul Scherrer Institut PSI. Sie und ihre Mitarbeiterin Juliette Billaud sind in Kooperation mit Kollegen der ETH Zürich einen anderen Weg gegangen: „Wir haben geschaut, wie viel Potenzial noch in den bestehenden Komponenten steckt." Allein, indem sie die Grafit-Anode einer herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterie, also deren Minuspol, optimiert haben, erzielten die Forschenden einen Leistungssprung: „Unter Laborbedingungen konnten wir die Ladekapazität teilweise verdreifachen. Diesen Wert wird man in kommerziellen Batterien wegen der Komplexität ihres Aufbaus womöglich nicht ganz erreichen. Aber die Leistung wird auf jeden Fall deutlich besser sein, vielleicht um 30 bis 50 Prozent – mit weiteren Experimenten werden wir da präzisere Prognosen liefern können."

Bestehende Komponenten zu verbessern habe den grossen Vorteil, dass für die industrielle Umsetzung weit weniger Entwicklungsarbeit nötig sei als für ein völlig neues Batteriedesign mit neuen Materialien: „Alles, was es dazu braucht, gibt es bereits", sagt Villevieille. „In ein oder zwei Jahren wären solche Akkus einsatzbereit, wenn ein Hersteller sich dessen annimmt." Das Verfahren sei einfach, kostengünstig und für Akkus in allen Grössenordnungen anwendbar – von Armbanduhr über Smartphone und Laptop bis zum Auto. Ausserdem, so Villevieille, sei es auf andere Materialien und Anode-Kathode-Batterien übertragbar – etwa solche, die auf Natrium basieren.

Der Clou besteht in diesem Fall in der Fabrikation der Anode. Der Grafit, also der Kohlenstoff, aus dem sie besteht, liegt in dicht gepackten, winzigen Flocken vor – man kann sich eine solche Anode wie dunkelgraue Cornflakes vorstellen, die kreuz und quer zu einem Müsli-Riegel gepresst sind. Wenn ein Lithium-Ionen-Akku aufgeladen wird, wandern von der aus Lithium-Metalloxid bestehenden Kathode, dem Pluspol, Lithium-Ionen als Ladungsträger durch eine Elektrolytflüssigkeit zur Anode und lagern sich in dem Grafit-Riegel ein. Beim Gebrauch der Batterie fliessen die Ionen wieder zurück zur Kathode. Dabei allerdings müssen sie in dem dicht gepackten Wirrwarr aus Grafitflocken viele Umwege gehen, was die Leistung der Batterie beeinträchtigt.

Diese Umwege lassen sich grossteils vermeiden, wenn man die Flocken schon bei der Herstellung der Anode vertikal ausrichtet, so dass sie alle parallel zueinander von der Elektrodenebene in Richtung Kathode zeigen. Das Verfahren zu dieser Ausrichtung haben Forscher um André Studart an der ETH Zürich, die Experten in der Nanostrukturierung von Materialien sind, von einer bereits bekannten Methode zur Herstellung synthetischer Kompositmaterialien übernommen: Zunächst werden die Grafitflocken mit Nanopartikeln aus magnetischem Eisenoxid ummantelt und in eine Ethanolsuspension gegeben; sie sind nun also magnetisch und schwimmen in Alkohol. Die Suspension wird dann einem Magnetfeld von 100 Milli-Tesla ausgesetzt – das ist nicht stärker als das eines handelsüblichen kleinen Magneten, mit dem man etwa Fotos an den Kühlschrank heftet. „Den Magneten lassen wir dabei rotieren", erklärt André Studart. „Denn dann richten sich die Plättchen nicht nur alle vertikal aus, sondern sie drehen auch ihre Flächen parallel zueinander – wie Bücher im Regal. So sind wirklich alle fein geordnet und die Wege für die Lithium-Ionen so kurz wie möglich."

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Wie man auf Mikroskopaufnahmen sehen kann, behalten die Plättchen ihre neue Orientierung auch nach Trocknen der Suspension bei, wenn der Magnet so lange angeschlossen bleibt. Statt kreuz und quer zueinander liegen die Flocken in dem gepressten Grafitriegel nun also in Reih und Glied. So können die Lithium-Ionen nicht nur viel leichter und schneller fliessen, auch die Ladekapazität steigt – es können mehr Ionen andocken. „Bei alldem bleibt die chemische Zusammensetzung der Batterie die gleiche", betont Claire Villevieille. Die verbleibenden Nanopartikel aus Eisenoxid seien zu vernachlässigen und hätten auf die Funktion keinerlei Einfluss. „Wir haben nur den Aufbau der Anode optimiert."

Das Paul Scherrer Institut PSI entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Materie und Material, Energie und Umwelt sowie Mensch und Gesundheit. Die Ausbildung von jungen Menschen ist ein zentrales Anliegen des PSI. Deshalb sind etwa ein Viertel unserer Mitarbeitenden Postdoktorierende, Doktorierende oder Lernende. Insgesamt beschäftigt das PSI 2000 Mitarbeitende, das damit das grösste Forschungsinstitut der Schweiz ist. Das Jahresbudget beträgt rund CHF 370 Mio. Das PSI ist Teil des ETH-Bereichs, dem auch die ETH Zürich und die ETH Lausanne angehören sowie die Forschungsinstitute Eawag, Empa und WSL. (dpa/tmn) - Wer sein Smartphone aktiv nutzt, kommt mit einer Akkuladung kaum länger als einen Tag aus. Je nach Gerät und Anwendung können es auch nur fünf bis sechs Stunden sein. Wer dann neue Energie braucht, holt sie sich aus der nächsten Steckdose. Wo es die nicht gibt, braucht es kreative Lösungen.

Der Zigarettenanzünder im Auto ist kaum noch als Raucherutensil, sondern in Verbindung mit einem Ladeadapter vielmehr als Stromlieferant für Smartphone, Navi und Co gefragt. „Dabei ist es wichtig, auf die richtige Kapazität zu achten", sagt Wiebke Hellmann vom Fachmagazin „Chip". „Wenn der Output nicht mindestens ein Ampere beträgt, dauert das Laden ewig." Das Kabel am oder zum Adapter sollte zudem hochwertig und nicht als billige Spirale ausgeführt sein.

Auch das Notebook kann als Energiespender fürs Handy dienen, insbesondere wenn es noch voll geladen ist: „Ein Smartphone braucht etwa zwei Amperestunden bei fünf Volt", rechnet Bernd Schwenke von der Stiftung Warentest vor. Das bedeute, dass eine Komplettladung nicht mehr als zehn Wattstunden des Notebook-Akkus kostet - typische Laptop-Akkus hätten etwa 50 bis 80 Wattstunden.

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Mobile Zusatzakkus Populär und günstig sind zudem mobile Zusatzakkus, auch Powerbanks genannt. Manche kosten weniger als 10, nur wenige mehr als 30 Euro. Einige sind nicht größer als ein Feuerzeug, andere so groß wie ein Smartphone und etwas schwerer. „Mit den kleinen Zusatzakkus lässt sich ein Smartphone nur einmal, mit größeren vier bis sechs Mal laden" sagt Projektleiter Schwenke, der für die Stiftung Warentest kürzlich 20 der mobilen Stromspeicher getestet hat.

Die Brennstoffzelle Kraftwerk von eZelleron soll mit einfachen Feuerzeuggas-Kartuschen arbeiten und ab Janur 2017 für 300 US-Dollar (rund 264 Euro) zu haben sein. Foto: dpa Powerbanks taugen auch über einen längeren Zeitraum als mobile Notreserve: „Nach 28 Tagen war in allen Akkus noch genug Energie, um ein Handy zu laden", berichtet Schwenke. Allerdings gelte dies für neue Powerbanks. Nach drei bis vier Jahren müsse man damit rechnen, dass ihre Leistung nachlässt oder dass sie kaputt gehen. Das könne auch passieren, wenn eine Powerbank kaum genutzt wird: „Auch längere Nichtaktivität ist für Batterien Stress", erläutert der Elektroingenieur. „Zu viel laden ist schlecht, zu selten auch."

Solarzellen hält Schwenke eher für eine Notlösung: „Nach sieben Stunden im gleißenden Sonnenlicht" seien beim Test eines Solarzellen-Laders weniger als 600 Milliamperestunden (mAh) geflossen, der Akku eines durchschnittlichen Smartphones also weniger als ein Viertel gefüllt. Bei bedecktem Himmel sei die Bilanz noch schlechter: „Es gibt eine große Linearität zwischen Intensität des Lichts und der Strommenge, die ich entnehmen kann."

Mit rund 30 Euro lagen die beiden untersuchten Solar-Lader zudem im oberen Preissegment der Testgeräte. Dennoch seien Anwendungszwecke denkbar: „Wenn sie die Solarzelle bei einer Wanderung im Sonnenlicht auf dem Rucksack liegen haben und nur telefonieren oder SMS verschicken", könne der Ladezustand eines damit versorgten Mobiltelefons etwa konstant gehalten werden, sagt Schwenke.

Dynamolader, die mit oder ohne Pufferakku zwischen Nabendynamo und Smartphone gehängt werden, sind indes eine Lösung für Fahrradfahrer, die ihre Muskelkraft gleich auch noch in Energie fürs Handy umwandeln möchten. Wenn das Handy auf dem Campingplatz entladen ist und man eine halbe Stunde zum Bäcker fährt, sei anschließend durchaus schon wieder ein kurzer Anruf drin, erklärt Warentester Schwenke.

Meist werden die Dynamolader aber genutzt, um während der Fahrt Navigationsgeräte oder Handys mit Navi-Apps zu betreiben, erläutert Thomas Froitzheim, Spezialist für Outdoor-Navigationssysteme. Das funktioniere bei fast allen Outdoor-Navis, manche Smartphones verhielten sich aber bockig bei Kabeln von Drittherstellern. Viele Informationen zu Dynamoladern fänden sich auf Fahrradzukunft.de.

Posted by: retrouve3 at 04:36 AM | No Comments | Add Comment
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