Warum lässt sich mein Handy nicht in zwei Sekunden aufladen?

Im einfachsten Fall besteht eine Batterie aus zwei Elektroden, die aus verschiedenen Verbindungen bestehen und durch ein chemisches Medium getrennt sind – eine Anordnung, die den Ladungsfluss von einer Elektrode zur anderen ermöglicht. Chemische Reaktionen zwischen den Elektroden und dem Elektrolyt verursachen einen Elektronenüberschuss an einem Pol und einen Elektronenbedarf am anderen. So fließen Elektronen – und damit Strom – durch einen geschlossenen Stromkreis.

Strom fließt generell schnell. Beim Laden einer Batterie werden jedoch nicht nur Elektronen, sondern auch größere und schwerere Ionen bewegt. „Eine Batterie ist im Wesentlichen ein Kasten. Die Elektronen fließen von einer Seite zur anderen, und außerhalb der Batterie entsteht dadurch Strom“, erklärt Palacín. „Zum Ausgleich fließen innerhalb der Batterie Ionen von einer Elektrode zur anderen.“

Eine einfache Lösung für schnell ladende Batterien scheint in der Beschleunigung der Ionen durch den Elektrolyten zu liegen, doch Ionen lassen sich nicht gerne drängen: Damit löst man wahrscheinlich andere chemische Reaktionen aus, wodurch die Materialien und die Leistung der Batterie beeinträchtigt werden.

Laut Palacín gibt es bei der Entwicklung von Batterien zwei konkurrierende Konstruktionsprinzipien: die Optimierung des Energiegehalts oder die Optimierung der Leistungsabgabe. „Die Elektrode kann sehr dick gestaltet werden, was eine maximale Menge an aktivem Material bedeutet“, stellt sie fest. „Obgleich dies eine große Menge an Ionen (Energie) pro Kilogramm liefert, müssen diese Ionen die Dicke der Elektrode durchqueren, was Zeit kostet.“

Daher eignet sich diese Konstruktionsart für Batterien, die eine große Menge an Ladung speichern und diese nur langsam abgeben sollen. Alternativ gibt es auch Batterien mit dünnen Elektroden und damit weniger aktiven Verbindungen pro Kilogramm Batterie. Diese können zwar nur eine geringere Ladungsmenge speichern als Hochenergiebatterien, sind aber in der Lage, viel schneller Strom zu liefern – und zu empfangen.

Palacín, Forschungsprofessorin am Institut für Materialwissenschaften in Barcelona, Spanien, arbeitet an einer neuen Generation von Batterien. Nach der Entwicklung der sperrigen Nickel-Cadmium-Batterien in den 1990er Jahren bis hin zur aktuellen Generation der Lithium-Ionen-Batterien leitet Palacín derzeit die EU-finanzierten Bemühungen zur Entwicklung eines neuen Batterietyps auf Kalziumbasis.

Doch ganz gleich, um welches Material es sich handelt, die chemischen Prozesse innerhalb einer Batterie – wie z. B. die Erwärmung und das Wachstum winziger Fortsätze, der so genannten Dendriten an den Elektroden – erschweren den Ladevorgang. Der Versuch, die Batterie innerhalb nur weniger Sekunden zu füllen, wäre vergleichbar damit, Zimmerpflanzen in einem einzigen Guss mit dem Wasserbedarf für ein ganzes Jahr versorgen zu wollen, beobachtet Palacín.

Aus diesem Grund verfügen die meisten modernen Geräte, darunter auch Smartphones, über eine spezielle Batterieverwaltungssoftware, die darauf programmiert ist, die Geschwindigkeit des Ladevorgangs mit der langfristigen Gesundheit der Batterie in Einklang zu bringen. So ist sie vielleicht nicht bereits nach ein paar Sekunden aufgeladen, dafür wird sie aber auch in einem Jahr noch belastbar sein.

Klicken Sie hier, um mehr über die Forschung von María Rosa Palacín zu erfahren: Eine bessere Batterie herstellen.