Im Jahr 2008 überstieg die Zahl der ans Internet angeschlossenen Geräte die Zahl der auf unserem Planeten lebenden Menschen. Bis 2020 soll diese Zahl sogar noch um einiges ansteigen: Laut der Übereinkunft mehrerer führender Technologiefirmen sollen in ungefähr sechs Jahren weltweit etwa 50 Milliarden Dinge mit dem Internet verbunden sein, um drahtlos zu kommunizieren. Nur ein Teil dieses Netzwerkes werden Computer, Smartphones und Laptops sein – den Rest bilden autonom vernetzte Geräte, die ohne Zutun von ihren Benutzern mit anderen Geräten oder Einrichtungen via Internet interagieren können. Kühlschränke können dann selbstständig Lebensmittel einkaufen, die selber Informationen über ihre Herkunft und Produktion bereitstellen, und Waschmaschinen ihre Waschvorgänge an den derzeitigen Strom- und Wasserpreisen orientieren.
Funksensoren im IoT erfordern zuverlässige, autarke Energiequellen
Mit der Weiterentwicklung des Internet of Things (IoT) sollen in Zukunft noch mehr Geräte an diesen Kommunikationskreislauf angeschlossen werden. Von Haushalts- und Alltagsgegenständen über Waren- und Konsumgüter bis hin zu industriellen Maschinen – sie alle sollen Teil der Vernetzung sein. Ein massgeblicher Treiber dieser Entwicklung ist dabei das Aufkommen von stromsparenden Funksensoren, welche die Informationen der Geräte empfangen und weitersenden. Sie bilden wichtige Bausteine in Anwendungen wie Smart Meters, im Transportwesen, in Sicherheitssystemen, in der Fernüberwachung und in der Gebäudeautomatisierung.
Diese Anwendungsgebiete werden sich mit der Entwicklung des IoT zunehmend ausweiten. Dafür müssen Funksensoren nicht nur durch ihre Skalierbarkeit und Reichweite überzeugen, sondern auch durch ihre Zuverlässigkeit. Diese ist dabei massgeblich von der Beständigkeit der Energiequelle abhängig, denn nur sie kann die Funkverbindungen im IoT dauerhaft aufrechterhalten. Typischerweise sind die Dinge im IoT allerdings beweglich und an kein festes Stromnetz angebunden – sie müssen ihre «Intelligenz» also energie-autark erzielen.
Batterien müssen kleiner und effizienter werden
Aus der zunehmenden Vernetzung von Geräten einerseits, aber auch aus der steigenden Zahl an Kleinstgeräten ohne Netzteil andererseits entsteht ein neues Anforderungsprofil für die Energielieferanten im IoT. Wenn die Einzelkomponenten des Netzes immer kleiner werden, muss es auch ihre Energieversorgung. All diese einzelnen Energieversorger in regelmässigen Abständen auszutauschen, bedeutet einen erheblichen kostentechnischen und zeitlichen Aufwand. Folglich steigen die Anforderungen an Batterien als effiziente Energiequellen stetig weiter an.
Aber sie sind auf den Trend vorbereitet: Die Energiespeicherkapazität von Batterien lässt sich jährlich um ungefähr 5 Prozent steigern. Bei den weit verbreiteten AA-Mignonzellen hat sich die Kapazität in den letzten 20 Jahren von 0,6 auf 1,8 Wattstunden verdreifacht. Ausserdem gibt es Batterien mittlerweile auch dünner und in biegsamer Form. Dadurch lassen sie sich in ihrer Form und Gestalt an neue Gegebenheiten anpassen.
Lithium-Zellen für anspruchsvolle Umgebungen
Neue, physikalisch-chemische Prozesse, welche die Energieleistung und Speicherkapazität einer Batterie weiter befördern, sind ein wesentlicher Treiber der Weiterentwicklung des IoT. Energiezellen in Lithium-Batterien, die auf der Lithium-Mangan-Dioxid-Technologie – kurz LiMnO2 – basieren, sind ideal in anspruchsvollen Umgebungen. Diese kleinen Batterien, Spezial- oder Knopfzellen zeichnen sich durch ihre hohe Impulsstrom-Belastbarkeit, ihre grosse Energiedichte, eine starke Temperaturbeständigkeit sowie eine lange Lagerbeständigkeit aus. Dadurch können sie Energie effizient und je nach Bedarf des jeweiligen Gerätes abgeben.
Die Leistungsfähigkeit der Lithium-Zellen ergibt sich aus ihrem speziellen Spiralzellenaufbau. Diese Architektur führt zu optimalen Resultaten, da die spiralförmige Wicklung die Anodenoberfläche vergrössert und somit die Energieabgabe erhöht. Zusammen mit ihrer geringen Grösse und einem leichten Gewicht – bis zu 33 Prozent geringer als bei klassischen Alkalibatterien – eignen sie sich so für die Ansprüche moderner Technologiegeräte.
Die Technik hinter der LiMnO2-Zelle
Der Ausdruck Lithium-Batterien beschreibt die Batteriefamilie, die Lithium für die Anode benutzt, aber sich sowohl in der Kathode, dem Elektrolyt, dem Zellendesign und anderen technischen Eigenschaften unterscheidet. Bei Duracell bestehen die Anoden der LiMnO2-Zellen aus reinem Lithium. Dieses besonders leichte Metall hat das höchste Elektrodenpotenzial und bietet die beste Ampère-Stunden-Kapazität pro Gewichtseinheit. Für die Kathode nutzt der Hersteller eine Mischung aus hitzebehandeltem elektrolytischem Mangandioxid und leitfähigen Mitteln. Die Leitfähigkeit dieser Kathode führt zu höheren Anfangsspannungen in der Zelle und zu einer höheren Betriebsspannung während der Entladung. Die thermodynamische Stabilität dieser speziell gefertigten Kathode stellt die hohe Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit sicher – auch nach langer Lagerungszeit von bis zu zehn Jahren.
Die Elektrolyte der Duracell-Lithium-Zellen sind ein organisches Lösungsmittelgemisch, in dem ein Alkalimetallsalz aufgelöst ist. Die Reaktion der Zelle umfasst die Oxidation von Lithium-Metall an der Anode, um positiv gela- dene Lithium-Ionen (Li+) und Elektronen (e-) zu erzeugen. Li+-Ionen bewegen sich in die Lösung und diffundieren durch den Elektrolyten und Separator zu der Kathode. Die Elektronen wandern durch den externen Schaltkreis und erreichen die Kathode, wo sich MnO2, Li+-Ionen und Elektronen vereinen.
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