Trends und Entwicklungen in der Elektronikindustrie sind entscheidend für den Batterien- und Akkumulatorenmarkt. Die Vielfalt mobiler und digitaler Geräte wird immer größer und viele Kleingeräte wie Handys, Smartphones oder auch Notebooks tendieren zur Miniaturisierung. Da die Geräte bei geringem Gewicht einen hohen Energiebedarf abdecken müssen, stellen diese Entwicklungen neue Anforderungen an die Energiezufuhr. Um eine optimale Versorgung zu gewährleisten, werden Batterien und Akkumulatoren deshalb kontinuierlich verbessert und an den neuesten Stand der Technik angepasst. Im Hinblick auf das neue EU-Batteriegesetz ist es außerdem besonders wichtig, dass die Energiebereitstellung schadstoffarm und umweltverträglich erfolgt.

Primärzellen: Beliebte Energiespeicher

In Deutschland sind etwa zwei Drittel aller Batterien Alkali-Mangan (ZnMnO2)-Batterien. Diese gehören zu den wichtigsten elektrochemischen Energiespeichern. Die Einsatzmöglichkeiten sind vielfältig, da die Batterien in den unterschiedlichsten Baugrößen erhältlich sind. Essentiell sind ZnMnO2-Batterien Zink-Braunstein-Zellen mit alkalischem Elektrolyt. Der elektrochemisch aktive Stoff in der negativen Elektrode ist Zink und in der positiven Elektrode Braunstein bzw. Mangandioxid. Als Elektrolyt wird eine Kaliumhydroxid-Lösung eingesetzt. Die elektrische Energie wird durch die Oxidation von Zink und die Reduktion von Mangandioxid geliefert.

Besonders für Geräte, die viel Energie benötigen, sind heutzutage optimierte ZnMnO2-Batterien erhältlich. Im Prinzip gibt es zwei Wege, die Leistungsfähigkeit von ZnMnO2-Batterien zu erhöhen und ihre Lebensdauer zu verlängern. Zum einen durch den vermehrten Einsatz von aktiver Masse in einer dickeren Kathode in einem größeren Zellinnen-Volumen; zum anderen durch die Nutzung verbesserter Elektrolyten mit höherer Leitfähigkeit. Batteriehersteller wie Duracell setzen beispielsweise eine Hochleistungskathode (HPC, High Performance Cathode) ein. Die Kathode setzt sich aus Graphit (SCG, Single Crystal Graphite) und Mangandioxid zusammen. Da das Graphit aus besonders kleinen Partikeln, die eine verbesserte Leitfähigkeit bieten, besteht, muss insgesamt weniger davon verwendet werden.

Als aktiver Bestandteil wird reines, aktives Mangandioxid genutzt. Verglichen mit einer herkömmlichen Kathode kann dies in einer größeren Menge eingesetzt werden. Somit kann eine längere Lebensdauer und höhere Energieabgabe der Batterie erzielt werden.

Sekundärzellen: Immer leistungsfähiger

In den letzten Jahren sind Akkumulatoren durch den intelligenten Einsatz von Materialien leistungsfähiger geworden und lassen sich präzise auf individuelle Anforderungen zuschneiden.

• Nickel-Metallhydrid-Akkus
  Gemäß der neuesten EU-Batterierichtlinie dürfen Gerätebatterien maximal 20 ppm Cadmium enthalten. Zwar sind davon momentan noch Notleuchten, Alarmsysteme und medizinische Geräte sowie schnurlose Werkzeuge ausgenommen, doch die Tage des bewährten Nickel-Cadmium (NiCd)-Akkus sind gezählt.
  
  Bei Nickel-Metallhydrid (NiMH)-Akkus wurde das schädliche Cadmium durch eine Metalllegierung ersetzt, die in der Lage ist, Wasserstoff zu absorbieren. Gegenüber herkömmlichen NiCd-Akkus bieten sie eine bis zu 40% längere Betriebszeit sowie eine höhere Energiedichte und Kapazität, erreichen aber nicht dieselbe Strombelastbarkeit und besitzen einen Low-Battery-Effekt. Außerdem verlieren herkömmliche NiMH-Akkus im Laufe eines Monats bis zu 25% ihrer gespeicherten Energie. Eine Alternative bieten vorgeladene NiMH-Akkumulatoren, wie sie beispielsweise von Duracell angeboten werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Akkus müssen diese vor dem ersten Gebrauch nicht geladen werden, sondern sind sofort einsatzbereit. Vor allem in Geräten mit hohem Energiebedarf geben sie eine kraftvolle und konstante Leistung ab. Darüber hinaus ist aufgrund der minimalen Selbstentladung selbst nach einem Jahr noch eine Kapazität von 25% verfügbar.


• Lithium-Ionen (Li-Ion)-Akkus
  Die Lithium-Ionen (Li-Ion)-Technologie ist eine der vielversprechendsten Batteriechemien mit einer potentiellen jährlichen Wachstumsrate von bis zu 11%. Batteriehersteller verbessern Li-Ion-Batterien stetig und führen neue chemische Verbindungen etwa alle sechs Monate ein. Mankos sind jedoch immer noch die relativ aufwändige Herstellung und die damit verbundenen Kosten.
  
  Verglichen mit NiCd-Akkus ist die Energiedichte von Li-Ion-Akkus etwa doppelt so hoch, mit Potential für noch höhere Energiedichten. Daher sind sie besonders geeignet für den Einsatz in mobilen Geräten. Durch die hohe Zellenspannung können Akkus gebaut werden, die nur aus einer einzigen Zelle bestehen, wie sie beispielsweise in Mobiltelefonen zum Einsatz kommen. Darüber hinaus benötigen Li-Ion-Akkus wenig Wartungsaufwand. Da kein Memory-Effekt auftritt, ist kein regelmäßiger Lade-und Entlade-Zyklus nötig, um die Lebenserwartung zu verlängern. Die Selbstentladung beträgt weniger als die Hälfte von der eines NiCd-Akkus. Jedoch sind den Möglichkeiten dieses Akku-Typs auch Grenzen gesetzt. Um Spannung und Strom innerhalb den Sicherheitslimits zu halten, wird eine eingebaute Schutzschaltung benötigt. Außerdem unterliegen die Akkus dem Alterungsprozess, auch wenn sie nicht im aktiven Gebrauch sind, und durch den moderaten Entladestrom sind sie ungeeignet für starke Belastungen.


• Lithium-Ionen-Polymer-Akkus
  Lithium-Ionen-Polymer-Akkus sind Li-Ion-Akkus in Bezug auf Charakteristik und Leistung ähnlich. Jedoch sind es die einzigen Batterien am Markt, in denen ein fester Elektrolyt das poröse Trennelement (Separator) ersetzt. Der Gel-Elektrolyt verbessert dabei die Leitfähigkeit der Ionen. Durch den ultradünnen Aufbau, das geringe Gewicht und die flexible Formbarkeit sind Lithium-Ionen-Polymer-Akkus besonders für Nischenanwendungen geeignet.

Die Zukunft - ein Ausblick

Besonders bei Akkumulatoren schreitet die weitere Entwicklung in großen Schritten voran. Durch den Einsatz von Nanotechnologie verspricht nun eine neue Generation von Li-Ion-Akkus einen Quantensprung in Bezug auf Leistung, Lebensdauer und Sicherheit. In den nächsten Generationen ersetzen Forscher der Stanford Universität die bisherige Lithiumcobaltdioxid- gegen eine Lithiumsulfid/Karbon-Kathode, wodurch man mobile Geräte, die bislang auf Lithium-Ion-Akkus setzen wie die MacBooks, iPhones und iPads deutlich länger betreiben können soll. Allerdings lassen sich die ersten Prototypen bislang nur 40- bis 50-mal wieder aufladen, während aktuelle Akkus 300 bis 500 Ladezyklen unterstützen.