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Endlich Schluss mit leeren Smartphones: Das bringt uns die Akku-Zukunft

Endlich Schluss mit leeren Smartphones: Das bringt uns die Akku-Zukunft

Mit dem halten wir eine der wichtigsten technologischen Errungenschaften des 21. Jahrhunderts in den Händen. Doch während mobile Endgeräte immer schlanker, schöner und leistungsstärker werden, lässt der Durchbruch beim Smartphone-Akku weiter auf sich warten. Wie der kurz- bis mittelfristig gelingen könnte, zeigen diese Beispiele.

Endlich Schluss mit leeren Smartphones: Das bringt uns die Akku-Zukunft

Die Akku-Zukunft für unsere Gadgets. (Foto: © Denys Prykhodov - Fotolia.com)

Mehr Akku für Gadgets: The Next Big Herausforderung

Seit Apple im Jahr 2007 mit dem iPhone und nur drei Jahre später mit dem iPad zwei neue Massenmärkte geschaffen hat, erlebt die Technologiebranche eine regelrechte Achterbahnfahrt. Immer mehr Geräte kommen auf den Markt, Smartphones wie Tablets werden immer leistungsstärker und Hersteller übertrumpfen sich in Sachen Displaygrößen und -schärfen gegenseitig. Und: Viele Tech-Fabriken läuten inzwischen das Zeitalter der Wearables ein. Armbanduhren werden smart, Brillen intelligent, Kopfhörer zum Alleskönner. Ein riesiger Markt, dem Experten allein bis 2018 ein Umsatzpotential von 19 Milliarden US-Dollar attestieren. Gleichzeitig steigt die Nutzung von Internetdiensten rasant an, durch immer bessere Übertragungsstandards werden unsere Daten noch schneller durch unsere Geräte gepresst. Technologischer Fortschritt wie im Bilderbuch.

Smartphone battery
Während Smartphones immer schöner, schlanker und schneller werden, bleibt die Akkulaufzeit auf der Strecke. (Foto: © Denys Prykhodov - Fotolia.com)

Nur in einem entscheidenden Punkt lässt die Revolution auf sich warten: beim Smartphone-Akku. Die heute in fast allen Smartphones, Tablets und sogar Elektroautos zum Einsatz kommenden Lithium-Ionen-Batterien verbauen Hersteller seit Jahren. Zwar weisen sie gegenüber anderen Akkutypen eine hohe Energiedichte auf, unterliegen keinem Memory-Effekt und geben auch bei längerem Nichtgebrauch nur einen geringen Teil (etwa fünf Prozent) ihrer Ladung ab. Allerdings haben Lithium-Ionen-Akkus auch Grenzen.

Zum einen benötigen sie mit ein bis zwei Stunden vergleichsweise lange zum Aufladen – zu lange für unseren schnelllebigen Alltag. Zum anderen sind auch die Speicherkapazitäten von Lithium-Ionen-Batterien gering – zu gering, als das wir länger als einen halben Tag auf eine Steckdose verzichten könnten. Über Probleme aufgrund kurzer Akkulaufzeiten klagen iOS-Nutzer in aller Regelmäßigkeit.

Die Kunst: Ladetechnik und Akkueffizienz neu erfinden

Kurz- bis mittelfristig wird es für spezialisierte Unternehmen also darum gehen, Lösungen zu entwickeln, die beide Problembereiche adressieren: die rückständige Aufladetechnik auf der einen und die geringe Effizienz auf der anderen Seite. Brenn- oder Wasserstoff betriebene Akkumulatoren sind noch nicht serienreif und viel zu teuer. Wie sehen realistische Lösungen für das schnellere oder gar kontinuierliche Aufladen von Smartphones und Tablets also aus? Und wie gelingt es, bestehende Akkus in mobilen Endgeräten direkt weiterzuentwickeln ohne über Umwege bei Prozessoren, Displays und Betriebssystemen auf die Energieverbrauchsbremse treten zu müssen? Recherchen zeigen, dass sich inzwischen einige Unternehmen mit cleveren wie extravaganten Lösungen der Akku-Herausforderung stellen. Wir stellen die spannendsten Lösungen vor.

1. Amprius: Mehr Power bei gleicher Akku-Größe

Das Startup Amprius verhilft einem Smartphone-Akku zu 20 Prozent mehr Kapazität bei gleicher Größe. Möglich macht das eine spezielle Silizium-Fertigung. (Foto: Siliconbeat)
Das Startup Amprius verhilft einem Smartphone-Akku zu 20 Prozent mehr Kapazität bei gleicher Größe. Möglich macht das eine spezielle Silizium-Fertigung. (Foto: Siliconbeat)

Größer geht immer, würden wohl die Technologie-Chefs bei Apple und Samsung sagen, wenn man sie auf die mageren Speicherkapazitäten der verbauten Smartphone-Akkus anspricht. Das hätte allerdings seinen Preis: Das iPhone wird dicker und schwerer – der absolute Albtraum aller Fans. Dem Schlankheitswahn verfallen die Hersteller von mobilen Endgeräten deshalb seit Jahren. Wie ist dieses Problem also zu lösen? Große Hoffnungen ruhen hier auf dem US-Startup Amprius, denn es verspricht 50 Prozent mehr Leistung bei gleichbleibender Akku-Größe.

Das US-Startup Amprius macht sich dabei Erkenntnisse von Forschern der Elite-Universität Stanford zu Nutze: Ihnen ist es nämlich gelungen, die Anoden in der Batterie aus porösem statt massiven Silizium zu formen. Da sich Silizium bei Volumenveränderungen normalerweise ausdehnt, war ein Einsatz in mobilen Endgeräten bisher nicht nachhaltig möglich. Mit dem elastischen Material können jetzt aber auch Smartphones zerstörungsfrei aufgeladen werden.

Amprius ersetzt daher die klassische Graphit-Anode in Smartphones durch eine Anode aus Silizium-Nanopartikeln, die von nur noch einer Graphit-Schicht umhüllt wird. Das bedeutet: Mehr Energiedichte auf gleichem Raum. Aktuelle Amprius-Akkus sollen vergleichsweise rund 20 Prozent länger durchhalten, noch ist das ein Kompromiss. In Zukunft soll dieser Wert durch den vollständigen Verzicht auf Graphit weiter steigen. Samsung gehört zu den ersten Kunden von Amprius und hat die Technologie im Galaxy-S5-Flaggschiff verbaut.

2. Imprint Energy: Gadget-Saft aus dem Drucker

Dank Imprint Energy könnte der Smartphone-Akku in Zukunft aus dem Drucker kommen. Extrem biegsam und klein. (Foto: Imprint Energy)
Dank Imprint Energy könnte der Smartphone-Akku in Zukunft aus dem Drucker kommen. Extrem biegsam und klein. (Foto: Imprint Energy)

Wearables werden immer öfter an Handgelenken, auf Nasen und sogar in Ohren zu finden sein. Trotzdem bleiben sie hinsichtlich der Batterielaufzeit noch deutlich hinter den Erwartungen der Nutzer zurück. Bedingt durch ihren extrem kleinen Formfaktor und die hohen Anforderungen in Sachen Design und Tragekomfort, bieten solche Gadgets kaum Platz für herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien. Erschwerend kommt hinzu, dass Lithium ein hochreaktiver Stoff ist, der in technischen Geräten durch spezielle Vorrichtungen vor Umwelteinflüssen wie Luft oder Wasser geschützt werden muss. Das macht die Batterie größer und schwerer.

Das Startup Imprint Energy hat das erkannt und nimmt sich beim beim Wort: Hier kommt der aus dem Siebdrucker und ist aus Zink. Zink dient in den druckbaren Akkus als Anode, die Kathode besteht aus Metalloxid und dazwischen sitzt ein festes Polymer-Elektrolyt, wodurch eine kontinuierliche und elektrisch leitende, chemische Reaktion ausgelöst wird. Und: Zink hat gegenüber Lithium wegweisende Vorteile: es weist eine erheblich geringere Reaktivität gegenüber Wasser und Luft auf – die Schutzvorrichtungen sind deshalb überflüssig, wodurch der Akku äußerst dünn und biegsam produzierbar ist. Da Zink in größeren Mengen als Lithium zur Verfügung steht, kann zudem kostengünstig und effizient in verschiedenen Größen gedruckt werden – für Gadgets, Smartphones oder Tablets.

3. Cota: Die Stromantenne für dein Zuhause

Mit Cota können Smartphones schon jetzt drahtlos aus der Distanz vollgetankt werden. Bis zur Marktreife dauert's aber noch. (Foto: TechCrunch)
Mit Cota können Smartphones schon jetzt drahtlos aus der Distanz vollgetankt werden. Bis zur Marktreife dauert's aber noch. (Foto: TechCrunch)

Mobile Endgeräte wurden vor allem für den Einsatz unterwegs geschaffen. Studien zeigen aber, dass Nutzer auch in den eigenen vier Wänden immer mehr auf das Smartphone setzen und die Nutzung herkömmlicher Desktop-PCs und Notebooks rapide abnimmt. So werden wir in Zukunft auch Zuhause das Bedürfnis haben, unsere Smartphones so lange wie nur möglich fern jeder Steckdose zu nutzen. Mit seiner „Cota“ genannten Technologie adressiert das US-Startup Ossia genau diesen Wunsch und verspricht, Smartphones in Zukunft kabellos und aus einer Distanz von bis zu zehn Metern mit Saft versorgen zu können.

Um das zu ermöglichen, braucht es zwei Dinge: Einen Stromsender und einen Empfänger. Ersteres kommt bei Cota in Form einer kartongroßen und mit Transmittern bestückten Hardware-Box daher, die elektrische Energie wie eine Art Antenne in den Raum aussendet. An zweiter Stelle folgt der Receiver. Dieser potentiell in Smartphones integrierbare Chip nimmt die elektrische Ladung per Magnetresonanz auf und versorgt das Gerät fortan mit Strom – drahtlos. Schon im nächsten Jahr soll das Produkt nach Auskunft des Startups den Endkunden zur Verfügung stehen. Bis dahin ist aber noch einiges zu tun: Etwa drei Stunden soll es aktuell dauern, den Smartphone-Akku mit Cota vollzutanken.

4. Eta Devices: Neuer Funkchip trotzt der Abwärme

Die Abwärme bei der Leistungsaufnahme kostet Smartphones viel Akkulaufzeit. Ein robuster und effizienter Funkchip von Eta Devices ist eine Lösung. (Foto: Eta Devices)
Die Abwärme bei der Leistungsaufnahme kostet Smartphones viel Akkulaufzeit. Ein robuster und effizienter Funkchip von Eta Devices ist eine Lösung. (Foto: Eta Devices)

Smartphones können noch so schlank, scharf und leistungsstark sein – am Ende sind wir dennoch von den Funkmasten abhängig, die uns kontinuierlich mit Daten für die Nutzung unserer Apps versorgen. Mobile Basisstationen arbeiten heute jedoch alles andere als energieeffizient: 65 Prozent ihrer aufgenommenen Leistung geben Funksender heute ungenutzt wieder ab. Das Unternehmen Eta Devices aus den Kreisen des Massachusetts Institute of Technology (MIT) will das ändern und hat dafür einen neuartigen Funkverstärker entwickelt. Er reduziert die zur Datenübertragung notwendige Leistungsaufnahme von Mobilfunkstationen deutlich, wie einem Bericht des renommierten Technology Review zu entnehmen ist. Die ersten LTE-Basisstationen hat Eta Devices bereits ausgerüstet.

In den Augen des Unternehmens ist das aber nur der Anfang – denn Eta Devices arbeitet schon daran, seinen Chip auch in Smartphones unterzubringen und so die Akkulaufzeiten um ein Vielfaches zu erhöhen. Dazu möchte man vor allem die Energieaufnahme im Standby-Modus drastisch reduzieren. Das Unternehmen gibt an, mit seiner „Asymmetric Multilevel Outphasing“ genannten Technik die Spannung um bis zu 20 Millionen Mal pro Sekunde beeinflussen zu können. Dies soll die energiehungrige Abwärme im Inneren des Smartphones um rund 80 Prozent reduzieren. Außerdem entwickelt Eta Devices einen Chip, der Smartphone-Herstellern alle gängigen Mobilfunkfrequenzen auf einer einzigen Platine zur Verfügung stellt. Das spart Platz, für etwas mehr Akku gefällig?

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6 Antworten
  1. von pixagentur am 02.04.2014 (08:41 Uhr)

    Funkstrom wird sicherlich kommen. Die Idee ist super, aber ein paar Fragen werden wohl noch zu klären sein.
    Wie hoch ist der Stromverlust, der dabei entsteht? Nicht alles wird am Gerät ankommen.
    Bei höheren Reichweiten könnte der Nachbar auch sein Gerät auf meine Kosten laden. Wie wird das gelöst?
    Wie sieht es mit Umweltverträglichkeit und der Gesundheit aus?

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  2. von Mirco am 02.04.2014 (10:43 Uhr)

    Ich gehöre zwar nicht zur "Ohje, die Strahlung!"-Fraktion, die nachts den WLAN ausschaltet und alle Elektrogeräte aus dem Schlafzimmer entfernt, aber wenn ich von uBeam und Cota lese, dann denke ich mir, dass das doch nicht so gesund sein kann? Seien es nun elektromagnetische Wellen (?) oder Ultraschall, der mit so viel Energie durch den Raum schwirrt, dass ich damit Geräte aufladen kann. Unter Hochspannungsmasten zu wohnen gilt ja auch nicht gerade als gesund und Leuten mit Herzschrittmachern wird empfohlen, auf Induktionskochfelder zu verzichten (okay, andere Technik als uBeam und Cota...aber das Magnetfeld ist hier sogar nur auf einen kleinen Abstand zum Kochfeld beschränkt9.

    Meiner Ansicht nach sollte man nicht schauen, wie man die energiehungrigen Geräte einfacher lädt, sondern wie man ihren Energiehunger reduziert - gerade in Zeiten, so jeder vom Stromsparen spricht (und pixagentur stellt da die richtige Frage: Wie effektiv sind uBeam und Cota überhaupt? Stromverlust?).

    Eta hört sich interessant an. Oder auf Graphen basierte Akkus. Wenn ich mein Handy all 1-2 Tage laden muss, habe ich kein Problem, es an ein Lade-KABEL anzuschließen. Und wen das Gefummel stört: Manchmal kann es auch ganz simpel sein und man muss das Rad nicht neu erfinden - kaufe ich mir ein neues Handy, kaufe ich mir auch gleich eine passende Ladeschale dazu. Kein tägliches Kabelsuchen oder Kampf mit dem USB-Port.
    Die Handy-Hersteller könnten die Schleifkontakte wieder einführen, um die Sache etwas bequemer zu machen. Hatte mein altes 3310 schon.

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  3. von Mal sehen was davon wirklich kommt am 02.04.2014 (10:57 Uhr)

    Wenn man älter ist, hat man solche Ankündigungen und Versprechen schon viel zu oft gesehen oder auch Regierungswechsel/Manager-Austausch die nicht besser waren als die Vorgänger-Regierung oder vorheriges Management.

    Schade das keiner in einem Land mit Meinungs- und Redefreiheit solche Versprechen sammelt und graphisch auf einer Zeitlinie aufzeichnet.
    Firmen wollen auch möglichst lange ihre alten Patente verwerten. Dadurch wird die Innovation vielleicht massiv verzögert.

    Wenn man älter ist, erkennt man das und welchen finanziellen Schaden das für die Wirtschaft hat.

    Siehe z.B. die vielen Versprechen für bessere und tollere Solarzellen.
    Volvo hatte wohl ein EU-Förderprojekt wo man Türen usw. des Autos aus Carbon und/oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen aufgebaut hat die Kondensatoren bildeten. D.h. man kann an der Ampel über den Loaderpoint fahren, kriegt voll viel Strom reingepresst und kann denn dann beim optimalen Betriebspunkt in den Akku reinschieben. Auch kann man beim Bremsen dank Kondensator besser Energie zurückgewinnen und zwischenspeichern als im Chemisch funktionierenden Akku der träger ist und geringere Wirkungsgrade hat.

    @pixagentur: Gestern gabs bei Golem eine Meldung von einem Toshiba-Funk-Lade-Chip der angeblich nur 5 % Verlust hat.

    Leider kann man bis heute keine DVB-Receiver usw. per Strom vom TV versorgen lassen. Oder Oculus Rift bzw. Google-Glass, Handy, Tablett, SmartWatch usw. gleichzeitig an einem Netzteil aufladen. "Wandwarzen" sind lästig und haben doch alle 5 oder 12 Volt. Echt schade das USB-Kabel und HDMI-Kabel besser standartisiert sind.
    Und natürlich auch das Geräte nicht ausschaltbar sind. Solche Neuland-Themen wie 12Volt-Wohnungen/Häuser interessieren halt kaum jemanden.

    Nett wäre übrigens auch, wenn Drittanbieter alten Geräten die neuen Akku-Sorten verpassen. Nicht jeder will seinen Laptop wegwerfen oder man will sein Smartphone, GPS-Empfänger, Taucher-Uhr, Garmin-Gerät, Funk-Wecker... weiter nutzen. Wie man bei Amazon und Ebay sieht, gibt es für Ersatz-Akkus (wie auch bei Drucker-Patronen) viele Anbieter und Dritthersteller.

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  4. von Mal sehen was davon wirklich kommt am 02.04.2014 (11:16 Uhr)

    @pixagentur: Wenn Du in alle drei Richtungen gleichmäßig strahlst, werden die Signale mit der Dritten Wurzel kleiner je weiter man weg ist weil sich die Energie ja auf das Volumen (Linien wachsen linear, Flöchen Quadrate Quadratisch und Volumen wächst mit x^3 .).
    Schlaue Geräte schalten auch nur ein wenn Energie gebraucht wird. Energiesparsamkeit ist eher in Deutschland gefragt. In USA ist Strom wohl leider zu billig.

    @Mirco: Der einheitliche Ladeanschluss wurde von der EU neulich festgelegt.
    Im Prinzip hast Du aber Recht mit den Schleifkontakten. Man müsste in Ländern mit Fair Use Adapter bauen wo man die Schleifkontakte am Handy drankleben kann und reingeführt werden.
    An größeren und älteren Laptops sieht man solche Schleifkontakte an der Unterseite auch öfter. Da gabs halt Docking-Stations für. Weil die Geräte aber immer dünner werden, stirbt das langsam aus.

    Power over Ethernet soll von ich glaube Philips für Stromversorgung von Beleuchtung benutzt werden und die USB-Foundation (oder wie die heissen) definiert aktuell wohl auch bis zu 100 Watt über USB.

    Funk bzw. Ladeschalen sind auch deshalb interessant, weil man mehr als ein Gerät laden will und manche Leute eine Vollkasko-Mentalität haben oder die Stecker und Buchsen kaputtmachen, ausleiern oder das dünne Kupfer im Ladekabel durch Biegen abbricht und dann von der Garantieabteilung abgewickelt werden müssen.

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  5. von irgendeinem Spinner am 02.04.2014 (13:18 Uhr)

    Super Artikel, sehr interessant, aber bitte, das geht gar nicht: „dünner wie ein Stück Papier“. Es muss selbstverständlich „als“ heißen.

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  6. von Daniel Hüfner am 02.04.2014 (16:51 Uhr)

    Hallo irgendeinem Spinner,

    das stimmt natürlich! ist korrigiert und Danke für den Hinweis!

    Beste Grüße aus Hannover,

    Daniel

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