Wie moderne Batterien die Welt verändert haben | Die mobile Revolution

Wie moderne Batterien die Welt verändert haben – INHALT

1. Von Säuren bis zu giftigen Metallen
2. Nickel blieb, aber Cadmium wurde ersetzt
3. Wir haben die Batterieprobleme immer noch nicht gelöst

Von Säuren bis zu giftigen Metallen

Die ersten wirklich modernen Batterien können als wiederaufladbare Nickel-Cadmium-Zellen (NiCd) bezeichnet werden. Dieser Batterietyp wurde 1899 von dem schwedischen Erfinder Waldemar Junger erfunden - und es war sofort klar, dass es sich dabei um einen Batterietyp handelte, der weitaus besser war als Blei-Säure-Batterien . Zunächst einmal waren sie vollkommen fest, sie enthielten kein säurehaltiges Elektrolyt, das aus der Batterie auslaufen konnte – und sie hatten auch nette Eigenschaften wie eine hohe Anzahl von Entlade- und Ladezyklen, wenn man sie gut pflegte.

Der Nachteil von Nickel-Cadmium-Zellen war, dass sie Cadmium enthielten, ein giftiges Metall, und dass sie außerdem einen erheblichen Memory-Effekt hatten. Das bedeutet, dass sich die Akkus, wenn Sie sie regelmäßig nur bis zu einem bestimmten Ladezustand entladen haben, diesen „gemerkt“ haben und ihre Kapazität auf dieses Niveau gesunken ist. Nickel-Cadmium-Akkus dürfen weder voll geladen noch voll entladen bleiben, sie dürfen nicht nur teilweise entladen werden, sondern müssen regelmäßig „gezyklisiert“ werden, d. h. vollständig entladen und dann wieder aufgeladen werden. NiCd-Akkus waren ein riesiger Fortschritt, aber ihre unschönen Eigenschaften führten dazu, dass sie regelmäßig vorzeitig ausfielen, weil die Menschen ihre Geräte so nutzen, wie sie wollen – und nicht so, wie es der Konstrukteur vorsieht.

Die Toxizität dieser Batterien ist ebenfalls ein großes Problem, weshalb sie seit 2016 in der EU verboten sind, außer für spezielle Anwendungen. Diese Batterien haben immer noch sehr gute Eigenschaften, vor allem wenn sie in Situationen mit niedrigem konstantem Strom verwendet werden, z. B. als Backup-Batterien für Notbeleuchtung oder medizinische Geräte. Sie sind jedoch für moderne Maschinen mit variablem Stromverbrauch nicht geeignet.

Nickel blieb, aber Cadmium wurde ersetzt

Der nächste Schritt waren Nickel-Metallhydrid-Batterien (NiMH). Die Forschung an ihnen begann 1967, aber Probleme mit der Chemie führten dazu, dass sie erst in den 1980er Jahren produziert wurden, als man bessere Legierungen entdeckte, die die Batterien zuverlässiger machten. NiMH-Batterien haben eine 40 % höhere Energiedichte als NiCd-Batterien und leiden nicht unter einem so starken Memory-Effekt, aber sie haben auch andere Nachteile.

Ihr größter Nachteil ist die schnelle Selbstentladung. Sie können am ersten Tag bis zu 20 % ihrer Kapazität verlieren und entladen sich dann mit einer Rate von 10 % pro Monat. Aber - wenn Sie Ihren Laptop täglich aufladen und ihn täglich benutzen, brauchen Sie sich darüber keine Gedanken zu machen - außerdem bedeutet die höhere Energiedichte, dass das Risiko einer Unterspannung (Brown-Outs) deutlich geringer ist und das Gerät zuverlässiger ist. Darüber hinaus hat Panasonic mit seinen Eneloop-Batterien das Problem der Selbstentladung gelöst und bietet nun Batterien mit extrem geringer Selbstentladung an, die ideal für Taschenlampen , für PC-Mäuse, Fernbedienungen und so weiter sind. Die modernsten Varianten sind Lithium-Ionen- (Li-Ion) und Lithium-Polymer- (LiPO) Batterien.

Die drei Wissenschaftler, die an der Entwicklung der Lithium-Ionen-Batterien mitgewirkt haben – Johannes B. Goodenough, M. Stanley Whittingham und Akira Yoshino – wurden für ihre Bemühungen mit dem Nobelpreis für Chemie 2019 ausgezeichnet. Lithium-Ionen-Batterien sind leicht, erlauben große Lade- und Entladeströme und haben eine hohe Energiedichte (die Energiemenge, die in einer Masseneinheit der Batterie gespeichert werden kann).

Heute gibt es eine Vielzahl von Lithium-Ionen-Batterien, die sich im Design unterscheiden: Lithium-Ferrophosphat (LiFePO4), Lithium-Kobalt (LCO), Lithium-Magnesium (LMO), Lithium-Nickel-Magnesium (NMC) oder Lithium-Titan (LTO). Jeder Batterietyp hat seine spezifischen Vor- und Nachteile. In der Unterhaltungselektronik werden in der Regel Lithium-Kobalt-Oxid-Batterien (LCO) verwendet, weil sie eine große Kapazität haben und es keine Rolle spielt, dass sie keine hohen Ströme liefern können – Handys und Laptops brauchen eine lange Ausdauer.

Wir haben die Batterieprobleme immer noch nicht gelöst

Der Nachteil von Lithium-Ionen-Batterien ist, dass sie relativ zerbrechlich und gefährlich sind, wenn sie Feuer fangen, denn sie sind sehr schwer zu löschen. Akkus in Unterhaltungselektronik sind relativ sicher, aber wie sich in der Vergangenheit im Fall des Samsung Galaxy Note 7 (2016) gezeigt hat, können schlecht konstruierte Akkus eine Entzündung oder sogar eine Explosion verursachen. In den meisten Fällen bietet dieser Batterietyp ein ideales Gleichgewicht zwischen der Lebensdauer des Geräts und der Lebensdauer der Batterie, aber Sie müssen grundlegende Sicherheitsregeln beachten.

Lithium-Ionen-Akkus sollten nicht vollständig entladen oder über einen längeren Zeitraum geladen gehalten werden. Moderne Laptops bieten die Möglichkeit, den Akku nur zu 80 % aufzuladen, was die Lebensdauer des Akkus verlängert. Es ist jedoch ratsam, den Akku nur zu 60-70 % aufzuladen, wenn das Gerät längere Zeit nicht benutzt wird. Von Zeit zu Zeit müssen Sie den Zustand der nicht verwendeten Akkus überprüfen, da sie sich bis zum absoluten Nullpunkt entladen können, was zu ihrer Zerstörung führen kann. Es ist auch keine gute Idee, Akkus extremen Temperaturen auszusetzen: Li-Ion-Akkus können Temperaturen von -20 °C bis 60 °C standhalten. Für Unterhaltungselektronik empfehlen wir, sie bei Raumtemperatur zu lagern, d. h. zwischen 0 °C und 40 °C.

Im Falle von defekten Akkus ist es sinnvoll, diese zu warten und umweltgerecht zu recyceln. Zerlegen Sie Akkus auf keinen Fall selbst, einige lassen sich zwar reparieren, aber Akkus haben Sicherheitsmechanismen, die nicht umgangen werden sollten. Für Reparaturen empfehlen wir die Inanspruchnahme eines Markendienstes, der für die Arbeit mit diesem Batterietyp zertifiziert ist. Wir empfehlen außerdem die Verwendung zertifizierter Ladegeräte und um sehr billige und betrügerisch verkaufte Modelle zu vermeiden.

Zellen auf Nickelbasis legten den Grundstein für tragbare Geräte, da sie frei von giftigen Säuren und wiederaufladbar waren und lange Laufzeiten mit einer einzigen Ladung ermöglichten. Die heutigen Lithiumzellen sind zwar viel fortschrittlicher, aber immer noch nicht so sicher, wie wir es uns wünschen würden.