Selbsterwärmende Li-Ionen-Akkus laden sich selbst bei –42 °C schnell auf und bieten 4.500 Zyklen und eine Lebensdauer von 12 Jahren

• Neue selbsterhitzende Batterien können bei Temperaturen von bis zu -42 °C in 15 Minuten aufgeladen werden. 
• Es hält 4.500 Ladezyklen mit nur 20 % Kapazitätsverlust stand. 
• Dies entspricht einem Batterielebenszyklus von 12 Jahren oder einer Lebensdauer von 280.000 Meilen eines Elektrofahrzeugs.

Unter den großen Autoherstellern findet ein spannender Wettlauf um die Steigerung der Leistung und Anzahl der Schnellladestationen statt. Im Jahr 2017 haben Daimler, Volkswagen, Ford und BMW ein Joint Venture gegründet, um bis Ende 2020 europaweit 400 „ultraschnelle“ Ladestationen zu bauen. Unterdessen plant Honda, bis 2022 Elektrofahrzeuge mit 15-minütiger Schnellladefunktion auf den Markt zu bringen.

Im Mai 2018 kündigte das Energieministerium der Vereinigten Staaten eine Finanzierung in Höhe von 19 Millionen US-Dollar zur Unterstützung fortschrittlicher Batterie- und Elektrifizierungsforschung zur weiteren Steigerung der Ladeleistung auf 400 kW an.

Die bestehenden Elektrofahrzeuge können dem Schnellladen bei extremer Kälte nicht standhalten, da dadurch das Risiko einer Lithium-Plattierung steigt – die Bildung von metallischem Lithium um die Anode während des Ladevorgangs, was mit der Zeit zu Fehlfunktionen der Batterien führt.

Herkömmliche Lithiumbatterien können bei Temperaturen unter 10 °C nicht schnell aufgeladen werden. Das Laden dieser Batterien unter den Gefrierpunkt würde zu einem dauerhaften Kapazitätsverlust und einem erhöhten Innenwiderstand führen.

Jetzt haben Forscher der Pennsylvania State University eine Batterie entwickelt, die sich selbst erhitzen kann und unabhängig von der Außentemperatur ein schnelles Laden ohne Lithiumbeschichtung ermöglicht.

Mit diesen Batterien können Elektrofahrzeuge in 15 Minuten aufgeladen werden – fast so viel wie das Auftanken von Benzin. Dies könnte eine große Erleichterung für Menschen sein, die in kalten Staaten leben. Wenn man bedenkt, dass Ladestationen flächendeckend installiert sind, können Besitzer ihre Angst vor der Fahrzeugreichweite verlieren und unbesorgt längere Strecken zurücklegen.

Zuvor haben Wissenschaftler ein Batteriesystem gebaut, bei dem es aufgrund der Selbsterhitzung nicht zu einem Stromverbrauch unter dem Gefrierpunkt kommt. Jetzt wurde dieselbe Technik angewendet, um das schnelle Aufladen der Batterien (in 15 Minuten) bei allen Wetterbedingungen, einschließlich Temperaturen bis zu -42 °C, zu ermöglichen.

Wie funktioniert es?

Die neu entwickelte Batterie verfügt über eine dünne Nickelfolie, deren eines Ende zum Minuspol der Zelle führt, während das andere Ende nach außen reicht und so einen dritten Pol bildet. Um den Stromkreis zu vervollständigen, ist ein Schalter an einen Temperatursensor angeschlossen, der den Elektronenfluss über die Nickelfolie ermöglicht, wenn die Temperatur weniger als 20 °C beträgt.

Der Elektronenfluss erzeugt eine Widerstandserwärmung in der Nickelfolie, die letztendlich die Innentemperatur der Batterie erhöht. Sobald die Temperatur steigt (über 20 °C), öffnet sich der Schalter und ermöglicht den Stromfluss in die Batterie zum Schnellladen.

Selbsterhitzende Batterie | Bildnachweis:Chao-Yang Wang / Penn State

Referenz:PNAS | doi:10.1073/pnas.1807115115 | Penn State

Der Akku erledigt diese ganze Arbeit selbst; Es ist kein menschliches Eingreifen erforderlich. Darüber hinaus müssen die bestehenden Ladestationen nicht verändert werden. Die Umschaltung zwischen Heizen und Laden erfolgt innerhalb der Zelle, nicht in den Ladegeräten.

Testen

Die Ergebnisse der Prototypentests waren mehr als beeindruckend. Forscher fanden heraus, dass die Batterie eine bemerkenswerte Lebensdauer hat, die einer Lebensdauer von über 12 Jahren oder 280.000 Meilen eines Elektrofahrzeugs entspricht. Konkret konnte der Akku 4.500 Schnellladezyklen (15 Minuten) mit nur 20 % Kapazitätsverlust bei 0 °C überstehen.

Ein herkömmlicher Akku hingegen könnte bei Minustemperaturen in nur 50 Ladezyklen 20 % seiner Kapazität verlieren. Dies liegt daran, dass sich metallisches Lithium (im Überschuss) auf der Oberfläche der Anode ablagert, anstatt dass Lithiumionen effizient mit den Kohlenstoffanoden verschmelzen. Derzeit ist langsames Laden die einzige Möglichkeit, dies unter 10°C zu vermeiden.

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Laut den Forschern bietet ihre neue Methode eine Möglichkeit, die Ladekinetik von der Entladung in der Batteriewissenschaft zu entkoppeln und das Laden zu verbessern, ohne dass neues Material oder neue Chemie erforderlich ist. Darüber hinaus bietet es eine Plattform für die Herstellung fortschrittlicherer Batteriematerialien ohne Temperaturbedenken.

Auf der Anwendungsseite wird die Technik den Automobilherstellern helfen, kleinere und leichtere Batterien zu verwenden. Es ermöglicht auch eine breite Palette von Elektronikgeräten und Geräten wie Outdoor-Robotern, Allwetter-Smartphones, Drohnen und Mikrosatelliten, die in großen Höhen operieren.