Um Lösungen zu finden, müssen die Forscher aber zunächst nachvollziehen, was genau den Strom beim Laden bremst und ihn daran hindert, die Batterie im Nu aufzufüllen. Beim Laden eines Lithium-Ionen-Akkus zum Beispiel müssen die Lithium-Ionen Elektronen aus einer der Elektroden (der Kathode) aufnehmen. Der Marsch der Elektronen über die Grenze zwischen Elektrode und Elektrolyt, in dem das Lithium gelöst ist, verlangt den Elektronen einiges ab – der erste Widerstand. Sobald die Lithium-Ionen in der Umgebung der Kathode gesättigt sind, müssen sie Platz machen für “hungrige” Ionen in der zweiten Reihe des Elektrolyts. Auch diese Wanderung erfolgt gegen Widerstand und erfordert Zeit.
Lahmen Akkus Beine machen
Um den trägen Ionen auf die Sprünge zu helfen, haben sich Gerhard Lindner und Josefine Schlemmer vom Institut für Sensor- und Aktortechnik an der Hochschule Coburg etwas einfallen lassen: Sie versetzen die Elektroden mit Schallwellen in hochfrequente Schwingungen – dank ihrer Beschaffenheit aus Metall ist das gut machbar. Die schwingenden Kathoden wiederum geben den Großteil der Energie in Form einer sogenannten Scholtewelle an den Elektrolyt ab.
Das Praktische an der Scholtewelle: “Sie breitet sich direkt entlang der Grenze zwischen Kathode und Elektrolyt aus, ist wirbelförmig und rührt den Elektrolyt sozusagen um”, erklärt Gerhard Lindner das Phänomen. So stehen für die Elektronen immer frische Ladungsträger zur Verfügung. Unter vereinfachten Laborbedingungen verdoppelte der Schall die Geschwindigkeit des Ladungsflusses. Von der industriell nutzbaren Reife sei die Technik aber noch ein gutes Stück entfernt, so Lindner.
Je kleiner, desto schneller
Einen anderen Ansatz verfolgen die Ingenieure des Energiespeicherunternehmens Hoppecke. Sie konzipierten das Batteriesystem für einen Elektrobus im städtischen Nahverkehr. Hier herrschen besondere Bedingungen: Der Bus muss eine Tour von rund 20 Kilometern mit viel Stop-and-Go-Verkehr absolvieren und kann die Batterie nach jeder Runde aufladen – hat dafür aber höchstens sechs Minuten Zeit. Er muss also viel Strom in aller Kürze aufnehmen. Das erreichen die Ingenieure einerseits, indem sie einen Akku aus ungewöhnlich vielen und dafür recht kleinen Zellen verwenden. Dadurch fließt pro Zelle ein geringerer Strom, es kommt zu weniger Reibungsverlusten. Gleichzeitig werden in der kurzen Zeit höchstens 20 Prozent der gesamten Kapazität des Akkus geladen – die Ionen müssen sich also gar nicht großartig in der Batterie verteilen, stattdessen werden einfach nur jene genutzt, die sich in der Umgebung der Kathoden aufhalten. Das erhöht auch die Lebenszeit der Zellen: Bis zu sechs Jahre sollen sie dann durchhalten können. Ein Kühlsystem rundet das Ganze ab. In Dresden und Münster haben die Busse erste Tests mit Bravour bestanden.
