Donald R. Sadoway ist stets korrekt gekleidet: dunkler Nadelstreifenanzug, Pomade im Haar – ein Professor vom alten Schlag. Wenn da nicht das unpassende Einstecktüchlein im Jackett wäre: silbrig glänzend und ziemlich zerknittert, eher wie eine leere Tüte Kartoffelchips. „Viele Studenten wundern sich, wenn sie mich so sehen”, schmunzelt der Professor für Elektrochemie. Sadoways eigene Studenten am Massachusetts Institute of Technology in Boston wundert gar nichts. Sie wissen, daß das silbrig glänzende Päckchen nicht zur Zierde da ist, sondern über ein Kabel das kleine Radio in der Brusttasche ihres Chefs mit Strom versorgt. Die Batterie wiegt nur wenige Gramm, sie läßt sich biegen und knicken – und sie ist ein großer Innovationsschritt in der Batterietechnik. Eine größere spezifische Energiedichte als Alkaline-Wegwerfbatterien, schneller aufladbar als die besten Lithium-Ionen- oder Nickel-Metall-Hydrid-Akkus, keine flüssigen Chemikalien im Inneren und dünner als ein Blatt Papier. Das Geheimnis heißt Lithium-Polymer-Batterie – ein Stromspeicher, der im Prinzip aus mehreren Lagen Kunststoff besteht. Der Elektrolyt – die Flüssigkeit zwischen Anode und Kathode – ist hier eine trockene Folie. Seit Ende der siebziger Jahre ist das Prinzip bekannt, aber erst in den letzten Jahren zeichnet sich ab, daß Lithium-Polymer-Batterien den wachsenden Energiebedarf mobiler Geräte decken können. Bereits heute tragen weltweit 600 Millionen Menschen mobile Kommunikationsgeräte mit sich herum. Die Zahl wächst jährlich um zweistellige Prozentbeträge. In diesem Jahr werden erstmals mehr Notebooks, Walkmen, Digitalkameras und Handys verkauft als Elektrogeräte für den stationären Betrieb – und das, obwohl die schweren, unflexiblen und kurzatmigen Akkus immer noch ein Ärgernis sind. Ein gutes Dutzend Batteriehersteller, vor allem in den USA und Japan, arbeitet unter Hochdruck an diesem vielversprechenden Batterietyp. Einige haben Prototypen vorgestellt, andere verkaufen bereits fertige Produkte. Die kanadische Firma Electrofuel bietet ein Powerpad für Laptops an. Es hat A4-Format, wiegt rund ein Kilogramm und soll 15 Stunden durchhalten. Panasonic stellt einen biegsamen Akku für Handys her, der 15 Gramm leicht ist und 3,6 Millimeter dick. Beim Vergleich der verschiedenen Typen fällt auf, daß jeder Hersteller sein eigenes Süppchen kocht und verschiedene Materialien und Metalle mixt. So kommt neben den üblichen Elementen Lithium und Kobalt (Varta, ultradünne Einwegbatterie für Chipkarten) auch Schwefel (Moltech) zum Einsatz, mal ist der Elektrolyt ein Gel (Panasonic), mal besteht er aus winzigen Flüssigkeitströpfchen, die in einem porösen Polymer aufgesogen sind (Bellcore).
Die derzeit einzige wirklich „trockene” Lithium-Polymer-Batterie hat der kanadische Hersteller Hydro Quebec entwickelt. Nachteil: Sie braucht eine Betriebstemperatur von über 60 Grad Celsius. Hydro Quebec setzt deshalb vor allem auf den Einsatz in Elektro- oder Hybrid-Autos. Eine Extraheizung im Walkman oder Handy ist dagegen indiskutabel. Einen Lithium-Polymer-Akku mit wirklich trockenem Elektrolyt, der bei Zimmertemperatur arbeitet, steckt in der Jackentasche von Donald Sadoway. Gemeinsam mit drei Kollegen vom MIT hat er das Problem akademisch korrekt angepackt. Das Team errechnete erst einmal am Computer, welche Materialien überhaupt geeignet sind. Zunächst nahm sich das Team die Kathode vor. In modernen Lithium-Ionen-Akkus enthält sie neben Lithium und Sauerstoff noch Kobalt, ein extrem teures Element. Eine Batterie für Elektroautos mit einer Reichweite von nicht einmal 200 Kilometern würde damit 20000 Dollar kosten. Die Berechnungen zeigten, daß Kobalt für die elektrochemische Reaktion gar nicht so wichtig ist. Das Kobalt kann zum Teil durch Aluminium ersetzt werden. Die ersten Prototypen einer solchen Kathode waren ein voller Erfolg. Wie sich herausstellte, läßt sich durch Erhöhung des Aluminium-Anteils die Spannung einer Zelle fast beliebig nach oben treiben. Bis zu vier Volt sind möglich – etwas mehr, als die meisten mobilen Geräte benötigen, die mit zwei 1,5-Volt-Batterien laufen. „Mit vier Volt sind die Halbleiter happy”, freut sich Sadoway. Anne Mayes, Professorin für Polymer-Physik am MIT, steuerte für die Wunderbatterie den Elektrolyt bei – im Prinzip eine Plastikfolie und völlig trocken. Als nächstes sollen neue Stoffe für die Anode unter die Lupe genommen werden, was aber nicht so dringend ist, weil es dafür bereits recht gute Materialien gibt. Derweil untersucht Sadoways Team die Lade-Entlade-Zyklen unter verschiedenen Betriebsbedingungen: Extreme Temperaturen, hohe Ströme, Tiefentladung – den Batterien scheint das alles nichts auszumachen.
Die spezifische Energiedichte des MIT-Akkus liegt mit 125 Wattstunden pro Kilogramm schon jetzt höher als bei Lithium-Ionen-Akkus. Zum Vergleich: Alkaline-Einwegbatterien bringen es auf 150 Wattstunden pro Kilogramm. Doch Sadoway ist optimistisch, diesen Wert weit zu übertreffen: „Bisher nutzen wir nur 25 Prozent der maximalen Energiedichte der Kathode.” Auch die Entwickler anderer Firmen gehen davon aus, daß Lithium-Polymer-Batterien über 400 Wattstunden pro Kilogramm erreichen können. Eine traditionelle Autobatterie würde dann nur noch 1,5 Kilogramm wiegen – ein Bruchteil der heute üblichen Blei-Säure-Akkus, die mit 35 Wattstunden pro Kilogramm das Schlußlicht bei der Energiedichte sind. Ein weiterer Vorteil der MIT-Entwicklung ist der einfache Herstellungsprozeß. Die Metalle werden einfach auf eine Folie gedampft – „wie bei einer Kartoffelchiptüte”, verspricht Sadoway. Trotz der vielen Vorteile ist der MIT-Professor bei der Suche nach Industriepartnern noch nicht fündig geworden. Schuld sei deren konservative Einstellung: „Die Batterie-Leute denken immer an zwei Platten mit Elektrolyt dazwischen.” Außerdem gebe es keine Firmen, die mit Metallen, Polymeren und Keramiken gleichermaßen umgehen könnten. Dennoch ist Sadoway vom Erfolg seiner Entwicklung überzeugt und hat sich dafür schon mal den Namen „The Thin Man” als Markenzeichen eintragen lassen. „Der dünne Mann” hat gleich mehrere Bedeutungen: die gleichnamige Krimikomödie von 1934, der Spitzname Sadoways, den ihm MIT-Studenten wegen seiner hageren Statur gaben, und natürlich die dünne Batterie selbst.
Anwendungen gibt es wie Sand am Meer. Lithium-Polymer-Akkus könnten überall dort zum Einsatz kommen, wo schon heute Batterien und Akkus verwendet werden – nur im Sinne des Wortes viel flexibler. Sie lassen sich rollen und im Rahmen eines Elektrofahrrades unterbringen oder als dünne Folie auf das Blech der Autokarosserie kleben. Armbanduhren hätten ihre Stromquelle künftig im Armband. Auch in Kleidungsstücken könnte man sie einnähen, zusammen mit Minicomputern und Biomonitoren zur Überwachung des Gesundheitszustands. „Polymer-Akkus werden Lithium-Ionen- und andere Akkus immer mehr ablösen, weil sie sicherer, leichter und flexibler sind”, prognostiziert Siegfried Weidbrecht, Marketingfachmann bei Varta. Der deutsche Hersteller arbeitet mit zwei „Schlüsselkunden” aus den Bereichen Handys und Laptops zusammen, um die eigene Variante der Kunststoff-Batterie zur Serienreife zu bringen. Größere Stückzahlen werde es Anfang 2001 geben, verspricht Weidbrecht. Der Markt wird den neuen Batterietyp aufsaugen wie ein Schwamm: Wurden 1997 weltweit noch 173 Millionen aufladbare Akkus verkauft, so sollen es 2002 schon 490 Millionen sein, wobei es teilweise bereits zu Lieferengpässen kommt. In diesem Jahr wird das Marktvolumen sechs Milliarden Dollar betragen. Von diesem Kuchen will Donald Sadoway mit seinem Lithium-Polymer-Akku ein großes Stück haben. Doch sein Motiv ist nicht persönlicher Reichtum – er hat höhere Ziele: „Ich möchte eine Alternative zum Benzin schaffen – ich will die Welt des Verkehrs revolutionieren.”
Diät für Stromfresser
Mit welchen Tricks PC-Hersteller den Stromverbrauch senken.
Montag Nachmittag im Zug nach München: Die Steckdosen im Waggon sind wieder mal außer Betrieb. Deshalb läuft das Notebook des Journalisten im Akkumodus. Während der Mann einen Artikel in den Rechner tippt, wandert sein Blick immer wieder auf die Poweranzeige am unteren Bildrand: Wird der Akku bis zum Ende der Fahrt durchhalten? Seit der Erfindung des Notebooks sind PC-Nutzer nicht mehr an den Schreibtisch gebunden. Aber die Mobilität ist eingeschränkt. Denn spätestens nach vier bis fünf Stunden, meist aber schon viel früher, muß der Rechner wieder an die Steckdose. Deshalb erfinden Ingenieure in den Entwicklungsabteilungen der Hersteller seit Jahren immer neue Tricks, um Energie zu sparen. Im Fachjargon heißt das „ Powermanagement”. „Der größte Stromfresser im Notebook ist der Prozessor-Chip”, sagt der Akku-Experte Peter Haschke vom Computer-Produzenten Fujitsu-Siemens. Die zentrale Recheneinheit von Mobil-PCs wird deshalb mit spezieller Elektronik ausgerüstet. Chip-Weltmarktführer Intel setzt dabei seit Anfang des Jahres auf seine SpeedStep-Technologie. Mit ihr können Pentium-III-Prozessoren in zwei Betriebsstufen arbeiten: Wenn der Rechner am Stromnetz hängt, rechnet der Chip mit maximalem Tempo. Bei Akkubetrieb reduziert der Chip die Geschwindigkeit – das Umschalten geschieht automatisch in einer halben Sekunde. Ein 650-Megahertz-Prozessor läuft dann nur noch mit 500 Megahertz, wobei gleichzeitig die Betriebsspannung von 1,6 Volt auf 1,35 Volt reduziert wird. Intel rechnet vor, daß die Leistungsaufnahme eines 650-Megahertz-SpeedStep-Chips im Akkubetrieb von 14,5 Watt auf 8 Watt sinkt. Eine ähnliche Technologie setzt auch der Intel-Konkurrent Advanced Micro Devices (AMD) ein. Seine Entwicklung heißt „PowerNow” und hat zusätzlich zu den zwei Betriebsstufen einen dritten, frei einstellbaren Zwischenmodus. Sehr viel weiter geht die kalifornische Firma Transmeta: Ihre Anfang des Jahres vorgestellte Chip-Familie trägt den Namen „ Crusoe” und soll viel flexibler sein als ihre Konkurrenten. Denn Crusoes Rechenarbeit beruht nur zu einem Viertel auf fest verdrahteter Hardware. Drei Viertel sind dagegen als veränderbare Software-Routinen ausgelegt.
Besonders wichtig war den Transmeta-Entwicklern ein stromsparendes Design ihres auch für Windows-Notebooks geeigneten Prozessors. Mit der sogenannten LongRun-Technologie regelt der Chip je nach Auslastung seine Taktrate und seine Spannung dynamisch. Das geplante 700-Megahertz-Modell soll bis auf 200 Megahertz herunterschalten können. Dabei wird der Chipneuling nur knapp 50 Grad Celsius warm und kommt – anders als der 105 Grad heiße Mobile Pentium III – ohne Lüfter aus. Transmeta will so einen durchschnittlichen Stromverbrauch von nur einem Watt schaffen. Notebooks mit Crusoe-Chip sollen mit einer Akkuladung einen Tag lang durchhalten, versprachen die Transmeta-Manager bei der Präsentation. Der Prozessor-Chip ist zwar das Notebook-Bauteil, das dem Akku am meisten Saft entzieht. In der Summe tragen die restlichen Komponenten allerdings ein Mehrfaches bei. Jeder Computer-Hersteller hat sein eigenes Rezept, um diesen Anteil zu verringern. Besonders beliebt: Im Akkumodus reduzieren die meisten mobilen Rechner die Bildschirmhelligkeit. Die generelle Strategie aller Entwickler besteht darin, Bauteile in einen Schlummermodus zu versetzen, wenn sie gerade nicht gebraucht werden. Radikal ist die Totalabschaltung: Bleibt das Notebook für einige Minuten ungenutzt, wird der aktuelle Inhalt des Arbeitsspeichers auf der Festplatte abgelegt und die Stromversorgung unterbrochen. Beim erneuten Anschalten stellt sich der alte Zustand des Arbeitsspeichers innerhalb weniger Sekunden wieder her.
Verborgen bleiben dem mobilen PC-Arbeiter, daß auch Komponenten wie Bildschirm-Controller, Arbeitsspeicher oder Festplatte zwischendurch immer wieder kurz dösen, manchmal nur für Bruchteile einer Sekunde. Der PC-Prozessor fragt dann von einzelnen Bauteilen seltener Informationen ab als im Normalbetrieb. Bis vor wenigen Jahren lag die Steuerung des Sparmodus im BIOS-Speicher. Inzwischen ist diese Funktion auf das Betriebssystem übergegangen. In Windows 98 ist der internationale Energiespar-Standard „Advanced Configuration and Power Interface” (ACPI) integriert. Er läuft damit nicht nur auf mobilen Rechnern, sondern reduziert auch bei Schreibtisch-Rechnern den Stromverbrauch. Damit Laptops über die Energiereserven des Akkus im Bilde sind, bauen die Hersteller einen Chip in den Akku ein, der über einen Datenbus den Ladezustand signalisiert. Im Projekt „ Energieminimierte Systemintegration” arbeiten mehrere Firmen unter der Leitung des Fraunhofer- Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration in Berlin an einem universellen Batterie-Managementsystem für alle Arten von tragbaren Kleingeräten. Die Akkulaufzeit spielt bei der Kaufentscheidung eine wichtige Rolle. Das ist nicht nur bei Notebooks so, sondern auch bei den derzeit wohl populärsten High-Tech-Geräten, den Handys. Auch dort lautet die Devise der Entwickler: Alle Komponenten abschalten, die gerade nicht gebraucht werden. Während eines Gesprächs erkennt das Telefon zum Beispiel, wenn sein Besitzer gerade zuhört und selber nicht spricht. Die Sendeleistung wird dann gesenkt, bis der Nutzer wieder das Wort ergreift.
„Der Stromverbrauch von Mobiltelefonen läßt sich aber bereits reduzieren, wenn das Gerät nur empfangsbereit in der Tasche steckt”, sagt Ahmet Karayel, Produktmanager für Handys bei Siemens. Der normale Ruhezustand koste zwar nur wenig Energie. Aber in regelmäßigen Abständen schaltet sich der Sender des Geräts für einige Sekunden ein, um ein „Periodic Location Update” zu machen. „Da meldet das Telefon dem Netz: Hallo, ich bin noch da”, erläutert Karayel. Wie oft dieser stromfressende Vorgang abläuft, regelt eine intelligente Elektronik anhand der Empfangsverhältnisse. Wie viele Stunden eine Akkuladung durchhält, bestimmt allerdings auch der Nutzer. Die besten Laufzeiten erzielt er, wenn er die Display-Beleuchtung abschaltet. Ahmet Karayel rechnet es vor: „Eine Minute Licht verbraucht genausoviel Strom wie ein einminütiges Gespräch.” Frank Fleschner
Geballte Ladung
AKKUS MÖGEN ES, wenn sie langsam und gleichmäßig entladen werden. Manche Geräte wie der Starter im Auto oder Blinkleuchten zur Fahrbahnmarkierung brauchen aber kurzzeitig hohe Spitzenleistungen. Deshalb müssen Akkus oft überdimensioniert werden – was das Gerät schwer und teuer macht. Jetzt gibt es einen Ausweg: Ultra-Kondensatoren. Sie speichern die elektrische Energie nicht chemisch wie ein Akku, sondern im elektrischen Feld zwischen zwei geladenen Platten, die durch ein Dielektrikum getrennt sind. Sie können in Sekundenschnelle geladen und entladen werden.
Das Geheimnis der „Ultracaps” ist die extrem große Oberfläche der Elektroden. Anode und Kathode bestehen aus aufgeschichteten Aktivkohlefasern, die mit einem Elektrolyten getränkt werden. So ergeben sich Oberflächen von bis zu 3000 Quadratmetern pro Gramm. EPCOS stellt einen Ultracap mit der gigantischen Kapazität von 2700 Farad her, der nur 800 Gramm wiegt. Seine Energiedichte ist mit 2,2 Wattstunden pro Kilogramm im Vergleich zu Lithium-Ionen-Akkus zwar bescheiden, dafür liefert er kurzzeitig riesige Ströme. Weiterer Vorteil: Selbst 500000 Lade-/Entladezyklen lassen die Ultracaps kalt, während herkömmliche Akkus schon nach wenigen hundert bis wenigen tausend Zyklen schlappmachen. Aber es gibt auch Nachteile: Nach 40 Tagen hat sich der Kondensator selbst entladen, während Bleisäure-Akkus im Auto die Energie über Jahre halten. Trotzdem sind gerade Autohersteller an den Ultracaps interessiert. Sie sollen Katalysator-Vorheizung, Sitzheizung oder die Lüftung bei ausgeschaltetem Motor speisen oder zur Energierückgewinnung beim Bremsen in Elektroautos dienen. Weitere Einsatzfelder für das Power-Cache-Prinzip – das Zwischenspeichern von Energie – sind unterbrechungsfreie Stromversorgungen oder Speicher für Solaranlagen. Die Vorläufer der Ultracaps – die kleineren Goldcaps – sind heute an den meisten Fahrrädern Standard: als Puffer für das Standlicht.
Internet Funktionsweise und Marktchancen von Lithium-Polymer-Batterien: www.techweb.com/se/directlink.cgi?EET19991129S0077
Homepage von Donald Sadoway, MIT: web.mit.edu/dsadoway/www/index.html
Know-how zu allen Batterietypen: www.varta.de
Informationen zu wiederaufladbaren Alkali-Mangan-Batterien: www.accucell.de
Technische Eigenschaften und Einsatzbereich von Ultrakondensatoren: www.elektroniknet.de/fachthemen/strom/artikel/ek9909a.htm
Powermanagement für Mikroprozessoren: 207.25.71.25/2000/TECH/computing/ 01/20/intel.speedstep.idg/index.html
LESEN Fraunhofer-Magazin 2/2000: Beiträge zu Lithium-Flachbatterien. Das komplette Heft in Farbe als pdf-Datei im Internet: www.fhg.de/german/publications/df/index.html oder bei: Fraunhofer-Gesellschaft, Öffentlichkeitsarbeit, Leonrodstraße 54, 80636 München.
Lucien Trueb, Paul Rüetschi: Batterien und Akkumulatoren Mobile Energiequellen für heute und morgen Springer, Berlin 1998, DM 78,–
Kontakt Varta AG – Öffentlichkeitsarbeit Am Leineufer 51 30419 Hannover
Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie Fraunhoferstraße 1 25524 Itzehoe
Bernd Müller / Donald R. Dadoway
