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Lithium-Ionen-Akkus Gezähmte Kraftbolzen für unterwegs

Es sind Kraftpakete ohne jedes Gedächtnis: Lithium-Ionen-Akkus gelten als die vergesslichen, wilden Kerle unter den Stromspeichern – und gerade diese Eigenschaften machen sie so beliebt. Ihre Zähmung hat sich gelohnt. Die Nachfrage nach Lithium-Batterien steigt. Schon tüfteln Unternehmen an neuen Anwendungsfeldern.
Lithium-Ionen-Akkus sind aus Handys, Notebooks und Digitalkameras gar nicht mehr wegzudenken.

Lithium-Ionen-Akkus sind aus Handys, Notebooks und Digitalkameras gar nicht mehr wegzudenken.

TOKIO. Der japanische Elektrokonzern Sony wagte sich als erster an die Zähmung des höchst reaktionsfreudigen Elements Lithium, das bei Kontakt mit Wasser sofort zu brennen anfängt. Heute steht fest: Der Mut hat sich gelohnt. Die Nachfrage nach Lithium-Ionen-Akkus steigt – und Sony tüftelt fleißig weiter an neuen Anwendungsfeldern.

Es kommt auf die Zutaten an. Je nachdem, welche Materialien in Lithium-Ionen-Akkus stecken, zeigen sie unterschiedliche Eigenschaften. Manche geben kräftige Ströme ab, brauchen aber viel Platz. Andere sind winzig, eignen sich aber eher für die Versorgung genügsamer Geräte. Die Nachfrage ist gewaltig: Die Produktion aller Batteriehersteller zusammen kann den Bedarf der Konsumenten für Handys, Notebooks und Digitalkameras kaum decken. „Und wir sehen schon eine Reihe neuer Anwendungen voraus“, sagt Masayuki Nagamine, Projektleiter bei Sony. So läuft gerade die Einführung der Lithium-Ionen-Batterien in Akkuwerkzeugen wie Bohrmaschinen aus dem Baumarkt. Weil die EU den Einsatz von Cadmium in Akkus verbietet, wird der Markt weiter wachsen. Lithium-Ionen-Akkus sind im Gegensatz zu ihren Geschwistern auf Nickel-Cadmium-Basis nicht nur kräftiger und langlebiger. Sie sind auch weniger giftig.

Lithium gilt als reaktionsfreudiger „Raufbold“ unter den chemischen Elementen – so schreibt Sony selbst in seiner Firmengeschichte im Kapitel zur „idealen Batterie“. Entsprechend skeptisch fielen die Kommentare in der Elektronikbranche aus, als sich der Pionier an die Entwicklung einer marktfähigen Batterie auf Lithium-Basis machte. Bezweifelt wurde die Realisierbarkeit solch eines Akkus, obwohl die prinzipiell günstigen Eigenschaften des Elements auf der Hand lagen: Lithium ist leicht und erlaubt eine hohe Energiedichte.

1986 gab der Erfolg des Sony-Walkman auch den Anstoß für einen neuen Akku-Typus. Sony-Manager Keizaburo Tozawa leitete damals die Batteriesparte. Kleiner, schöner, und portabler als die Konkurrenzprodukte – das war der Anspruch des Konzerns. Tozawa nahm die Herausforderung an und setzte auf Lithium als Ausgangsmaterial für die Sony-Batterie. Um mit seinem Entwicklungsteam schnell zu Ergebnissen zu kommen, wählte der Manager einen außergewöhnlichen Denkansatz: Er übertrug das Vorgehen der Artillerie japanischer Kriegsschiffe auf die Batterieentwicklung: Da schießen sich mehrere Geschütze auf ein Ziel ein, indem sie es absichtlich etwas unterschiedlich anvisieren.

Übertragen auf Sonys Batterieforschungszentrum in Koriyama, 200 Kilometer nördlich von Tokio, hieß das: Sechs Gruppen arbeiten parallel an verschiedenen Ansätzen. Es stellte sich heraus, dass eine Lithium-Batterie möglich ist, in der metallisches Lithium gar nicht vorkommt. Als das Grundkonzept fest stand, begannen Sonys Chemiker, Ingenieure und Physiker eine Suche, die bis heute andauert. Welche chemischen Verbindungen in der Batterie bewirken welche Eigenschaften? „Bei unseren Versuchsreihen streben wir nach einer Balance zwischen logischen Annahmen und schlichtem Ausprobieren“, sagt Nagamine.

Damals kamen während der vierjährigen Entwicklungszeit – sowohl von Sony als auch von Konkurrenten – Akkus auf Nickel-Basis auf den Markt, die sich bereits für viele tragbare Elektrogeräte eigneten. Doch was das Lithium-Entwicklungsteam bis 1990 erfand, ließ die Nickelbatterien weit hinter sich: Auf gleichem Raum viermal mehr Strom, anderthalb Mal so viele Ladezyklen und kein Gedächtniseffekt, der ein komplettes Ent- und Aufladen erfordert. Erste Sony-Anwendung für die neue Batterie war 1991 ein Handy. Durch die Neuentwicklung wurden Produkte wie der handliche Camcorder mit farbiger Anzeige erst möglich.

Die knackigen Eigenschaften der Kraftpakete sind positiv für die Batteriebranche. Zugleich wächst aber die Notwendigkeit, sehr präzise zu arbeiten. Fast alle großen Hersteller von Lithium-Ionen-Akkus mussten in den vergangenen Jahren Millionen von Batterien zurückrufen, weil deren Inneres bei der Produktion mit Metallstaub verunreinigt war. Das kann einen Kurzschluss zwischen Plus- und Minuspol verursachen. Die wenigen Dutzend Fälle, in denen tatsächlich Flammen aus Handys oder Notebooks schlugen, ist statistisch angesichts der Milliarden problemlos funktionierender Batterien zu vernachlässigen. Die Industrie liefert 2,5 Mrd. Lithium-Akkus pro Jahr aus, bis 2010 sollen es drei Mrd. sein.

Zugleich intensivieren alle Hersteller die Suche nach noch besseren Materialien. Durch die Branche schwirren Erfolgsmeldungen für Anoden aus Zinn, Titan oder Kobaltverbindungen, für Kathoden aus Kohlenstoffverbindungen, für Elektrolyte in Gelform, für die Nutzung von Nanotechnik. Wer mit der Autoindustrie kooperiert, will auf kräftige Ströme bei gleichbleibender Sicherheit hinaus. Für immer kleinere Musikspieler steht dagegen Platzersparnis im Vordergrund – hier könnten superflache Akkus eingesetzt werden.

Sony forsche auch an Alternativtechniken, sagt Nagamine. Doch noch habe sich kein Ansatz so bewährt, dass er als Favorit für die Ablösung der Lithium-Ionen-Akkus gilt. Heißer Kandidat ist die miniaturisierte Brennstoffzelle. „Vor vier Jahren hieß es schon, wir haben 2007 die Brennstoffzelle als Batterieersatz, doch wir sind heute noch ziemlich weit davon entfernt“, sagt Nagamine. Ein ungelöstes Problem für die Anwendung in kleinen Geräten sei die Abführung des Reaktionsproduktes Wasser. Das ist freilich im Vergleich zu Lithium eine harmlose Substanz. Es würde aber stören, wenn Wasser aus Handys oder Kameras liefe.

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