Energiespeicher: Forscher wollen den Akkus auf die Sprünge helfen
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Vereinfachtes Funktionsprinzip
einer Lithium-Batterie
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Ob im Handy oder in der DigiCam, im Laptop oder im Elektroauto: Lithium-Ionen-Batterien sind derzeit das Beste, was es gibt. Und doch reichen ihre Lebensdauer und Leistungsfähigkeit
nicht aus, um zum Beispiel Automobile mit Elektroantrieb wirklich konkurrenzfähig zu machen, betont der Forschungsverbund Berlin e.V. in einer Pressemitteilung. Hinzu kämen technische
Probleme, die im vergangenen Jahr zu immensen wirtschaftlichen Verlusten geführt hätten. Sony bezifferte Medienberichten zufolge die Kosten für den Austausch von Laptop-Akkus auf rund
340 Millionen Euro. Lithium-Batterien hatten sich gefährlich überhitzt, manche waren gar explodiert, und der Konzern musste Millionen davon zurückrufen. "Ich habe das damals nur als
interessierter Zeitungsleser mitbekommen", erinnert sich Dr. Wolfgang Dreyer vom Weierstraß-Institut für Angewandte Analysis und Stochastik (WIAS). "Von der fachlichen Seite her hatte
ich von Lithium-Batterien keine Ahnung." Das hat sich schnell geändert. Seit einigen Monaten grübelt der Leiter der Forschungsgruppe "Thermodynamische Modellierung und Analyse von
Phasenübergängen" über das Innenleben der Lithiumbatterien. Für ein europäisches Forschungskonsortium mit Beteiligung slowenischer Kollegen, die Dreyer die elektrochemischen Daten
liefern, ist er dabei, ein mathematisches Modell zu entwerfen. Das Projekt heißt ALISTORE, das Akronym steht für "Advanced lithium energy storage systems based on the use of
nano-powders and nano-composite electrodes/ electrolytes".
Modell simuliert, wie Lithium-Ionen in einem Kristallgitter gespeichert werden
So kompliziert wie der Name, so knifflig ist auch die Materie. Doch genau das reizt den gelernten Physiker Dreyer. Mit ein paar Mausklicks auf seinem Laptop ruft er einen Vortrag auf
und zeigt auf die abgebildeten Kurven. Zwei Linien, die am Anfang und Ende übereinander liegen, in der Mitte des Diagramms jedoch parallel nebeneinander verlaufen. "Das ist eine
Hysterese, das ist schlecht, das will man vermeiden", sagt Dreyer. Vereinfacht gesagt gehe es darum, dass die Leistungsaufnahme beim Laden und die Leistungsabgabe durch Entladen des
Akkus nicht genau gleich erfolgen. Das hätten Messungen der slowenischen Wissenschaftler ergeben. Dreyer zeigt auf zwei Kurven, die denen aus seinem Modell sehr ähneln: "Die Messdaten
zeigen die Hysterese, mein Modell bildet sie nach - und das ist mein erster Versuch, ich habe die Modellparameter noch nicht einmal an die Experimente angepasst." Nur: Was genau bildet
das Modell nun ab? "Es simuliert, wie Lithium-Ionen in einem Kristallgitter, das aus Eisenphosphat besteht, gespeichert werden", erläutert Dreyer. Das Eisenphosphat (FePO4) ist im
Modell als Kugel dargestellt. "Es ist klar, dass sich der Radius der Kugel ändert, wenn Ionen aufgenommen oder abgegeben werden." Die modellierte FePO4-Kugel misst in Wirklichkeit 50
Nanometer, tausend davon würden hintereinander gelegt den Durchmesser eines Haares ergeben. In einem Akku sind unzählige dieser Nanokugeln am Minuspol, also der Kathode. Der Pluspol -
die Anode - besteht aus Lithium oder Lithiumverbindungen. Entnimmt man elektrischen Strom, wandern Lithium- Ionen zur Kathode, die FePO4 -Kügelchen schwellen an, umgekehrt entleert sich
das Kristallgitter wieder, wenn von außen eine Spannung angelegt wird, also der Akku aufgeladen wird. Die Lithium-Ionen kehren zur Anode zurück.
Anwendung auch in Wasserstoff-Autos möglich
"Mein Modell bildet die Vorgänge trotz der erheblichen Vereinfachungen bereits recht gut ab. Es zeigt sogar, was passiert, wenn ich eine Wechselspannung anlege", berichtet Dreyer. Jetzt
komme es darauf an, die Simulation anhand der Messdaten genauer an die reale Welt anzupassen. "Dazu wird aber eine Kooperation nötig sein, die über das bisherige Maß hinausgeht", sagt
der WIAS-Forscher. Denn diese Anpassung sei aufwändig. Jedoch könnten mit einem guten Modell zahlreiche teure Versuche eingespart werden. Nur besonders vielversprechende Experimente
würden auch wirklich im Labor gemacht. Das spare Zeit und Geld. Am Ende seien wesentliche Verbesserungen auf drei Gebieten zu erwarten: Die Hysterese würde kleiner, die Ladezeiten
würden verringert und die Ladungsdichte könnte sich deutlich steigern. "Und außerdem passt mein Modell auch auf andere Probleme, zum Beispiel wie man Wasserstofftanks in Autos besser
befüllt oder wie sich harter Stahl in weichen Stahl umwandelt", sagt Dreyer. Das ist ein Effekt, den er und seine Kollegen vom WIAS immer wieder erleben: Angewandte Mathematik als
Allzweckwerkzeug.
Dieser Text ist erschienen in der aktuellen Ausgabe des Verbundjournals. Das Heft ist als PDF im Internet verfügbar: unter www.fv- berlin.de/images/verbundjournal/verbund72.pdf
06.01.2008 Quelle: Forschungsverbund Berlin e.V. Solarserver.de © Heindl Server GmbH
Bildquelle: Forschungsverbund Berlin e.V.,
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