Selbstheizende Li-Ionen-Batterien laden selbst bei –42 °C in 15 Minuten – 4.500 Zyklen, 12 Jahre Lebensdauer

Neue selbstheizende Batterien laden in 15 Minuten bei Temperaturen bis –42 °C. Sie überstehen 4.500 Ladezyklen mit nur 20 % Kapazitätsverlust – äquivalent zu 12 Jahren Batterielebensdauer oder 280.000 km Elektrofahrzeug-Laufleistung.

Hintergrund: Der Wettlauf um Schnellladestationen

Große Autohersteller rüsten massiv auf: 2017 gründeten Daimler, VW, Ford und BMW ein Joint Venture für 400 "ultraschnelle" Ladestationen in Europa bis 2020. Honda plant E-Fahrzeuge mit 15-Minuten-Schnellladen bis 2022.

Mai 2018: US-Energieministerium stellte 19 Mio. $ für fortschrittliche Batterie- und Elektrifizierungsforschung bereit, um Ladeleistung auf 400 kW zu steigern.

Bestands-E-Fahrzeuge vertragen kein Schnellladen bei extremer Kälte – Lithium-Plating (metallisches Lithium um die Anode beim Laden) führt zu Fehlfunktionen. Konventionelle Lithium-Batterien laden nicht schnell unter 10 °C; unter Gefrierpunkt entsteht permanenter Kapazitätsverlust und erhöhter Innenwiderstand.

Forscher der Pennsylvania State University entwickelten nun eine Batterie, die sich selbst heizt – lithium-plating-freies Schnellladen unabhängig von Außentemperatur.

Diese Batterien laden E-Fahrzeuge in 15 Minuten – nahezu benzinequivalent. Große Erleichterung für Bewohner kalter Regionen. Bei flächendeckender Ladeinfrastruktur entfällt Reichweitenangst.

Zuvor bauten Wissenschaftler ein Batteriesystem ohne Leistungsverlust unter Gefrierpunkt durch Selbstheizung. Nun wurde dieselbe Technik für 15-Minuten-Schnellladen bei allen Wetterbedingungen bis –42 °C angewendet.

Funktionsprinzip

Das Design: Dünne Nickel-Folie, deren eines Ende zum Minuspol der Zelle geht, das andere nach außen ragt – ein dritter Pol. Ein Schalter, gekoppelt an Temperatursensor, lässt Elektronen via Nickel-Folie fließen, wenn Temperatur < 20 °C.

Elektronenfluss erzeugt Widerstandsheizung in der Nickel-Folie, erhöht die Innentemperatur. Über 20 °C öffnet der Schalter, Strom fließt in die Batterie zum Schnellladen.

Die Batterie macht das autonom; kein menschliches Eingreifen nötig. Bestehende Ladestationen müssen nicht geändert werden. Umschaltung zwischen Heizen und Laden erfolgt in der Zelle, nicht am Lader.

Testergebnisse

Prototyp-Tests beeindruckend: Zyklenlebensdauer äquivalent zu >12 Jahren oder 280.000 km E-Fahrzeug-Laufleistung. Konkrete: 4.500 Zyklen Schnellladen (15 Min) mit nur 20 % Kapazitätsverlust bei 0 °C.

Herkömmliche Batterie verliert 20 % Kapazität in nur 50 Zyklen unter Gefrierpunkt – metallisches Lithium (im Überschuss) lagert sich auf der Anodenoberfläche ab, statt dass Lithium-Ionen effizient mit Kohlenstoffanoden verschmelzen. Bisher war langsames Laden unter 10 °C der einzige Ausweg.

Laut Forschern entkoppelt ihre Methode Ladekinetik von Entladung in der Batteriewissenschaft und verbessert Laden ohne neue Materialien/Chemie. Bietet Plattform für fortschrittlichere Batteriematerialien ohne Temperaturbedenken.

Anwendungsseitig: Autohersteller können kleinere, leichtere Batterien nutzen. Ermöglicht breite Elektronik/Devices: Outdoor-Roboter, Allwetter-Smartphones, Drohnen, Mikrosatelliten in großer Höhe.