Lithium-Ionen-Batterien für Eilige: Strom tanken in 10 Minuten!

Autor: Matthias Augustin

Veröffentlicht am: 12.11.2019

Die gegenwärtig größte Hürde für den Absatz von Elektroautos ist deren geringe Reichweite und die damit verbundene Notwendigkeit, bei längeren Fahrten die Batterien an den eher spärlich vorhandenen Ladesäulen häufig wieder aufzuladen. Außerdem dauert die Wiederaufladung derzeit mindestens eine halbe Stunde, was den Fahrtverlauf zusätzlich verlängert. Innovative Lösungen werden derzeit entwickelt.

Um speziell die Dauer der Aufladung zu umgehen, wird weltweit die Möglichkeit eines Einsatzes von Schnellladestationen untersucht. Durch das sogenannte Schnell-Laden (extreme fast charging, XFC) soll der Automobil-Akku innerhalb von zehn Minuten für weitere 320 Kilometer (200 Meilen) Reichweite aufgeladen werden.

Das bisherige Hindernis für diese Anwendung geht von den Materialien innerhalb der Lithium-Ionen-Batterie aus, die solch eine schnelle Ladung nicht aushalten. Denn während des Ladeprozesses konkurrieren zwei Reaktionen auf der Anodenseite miteinander: zum einen die gewünschte Einlagerung von Lithium-Ionen in die Graphitanode, zum anderen die für die Lebensdauer der Batterie schädliche Abscheidung der Lithium-Ionen als Lithium-Metall. Während eines schnellen Ladeprozesses kommt es zu einer Polarisierung der Anode, was wiederum zur Lithium-Abscheidung, weiteren daraus folgenden Nebenreaktionen und einem frühen Batterietod führt. Eine Möglichkeit, die Bildung von Lithium-Metall zu verhindern, ist eine Temperaturerhöhung innerhalb der Batteriezelle von Umgebungstemperatur auf 40°C oder höher. Allerdings hat auch dies Nebenreaktionen zur Folge, die zum Wachstum einer Schicht aus unerwünschten Produkten auf der Anode führen, was den Innenwiderstand der Batterie erhöht und somit die Reichweite des Elektroautos verringert.

Einer Gruppe von US-Forschern ist es aber nun bei Laborversuchen gelungen, Batterien, wie sie in Plug-In-Hybriden und Elektrofahrzeugen eingesetzt werden, innerhalb von zehn Minuten von 0% auf 80% aufzuladen. Dieses erstaunliche Ergebnis wurde durch eine zeitlich begrenzte und lokalisierte Temperaturerhöhung innerhalb der Batterie vor Beginn des Ladezyklus erreicht. Hierzu integrierte die Forschergruppe eine polymerbeschichtete Nickelfolie (mit Ableiter-Kontakt) in den Stromkreislauf der Anodenseite. Soll die Batterie nun geladen werden, wird der Strom für ungefähr dreißig bis vierzig Sekunden über die Nickelfolie geführt. Diese erhitzt sich auf 60°C, woraufhin der fließende Strom zur zehnminütigen Aufladung der Batterie auf 80% genutzt werden kann. Die folgende Entladung geschieht bei Raumtemperatur. Mit dieser Methode erreichten die Forscher mit einer Batteriezelle, wie sie in Elektroautos benutzt wird, 2500 Zyklen bei einem Gesamt-Kapazitätsverlust von lediglich 8,3%. Zum Vergleich: In derselben Studie zeigen die Wissenschaftler, dass eine Batterie bei unbeheiztem 60-minütigen Wiederaufladen ebenfalls eine Stabilität von über 2000 Zyklen hat. Jedoch werden bei 30-minütiger Aufladung nur noch 1500 Zyklen und bei 10-minütiger Wiederaufladung lediglich 50 Zyklen erreicht. Weitere Vorteile ergeben sich auch aus den nur geringen negativen Auswirkungen dieser Methode auf den Rest des Batteriesystems – insbesondere verglichen mit anderen möglichen Problemlösungen, wie z.B. dem Einsatz von alternativen Materialien für Anode oder Elektrolyt. Da jede Änderung einer Batterie-Komponente einer Änderung der Batteriechemie gleichkommt, müssen in solch einem Fall alle Komponenten nochmals aufeinander abgestimmt werden. Dadurch, dass die hier eingebrachte, beschichtete Nickelfolie nicht mit den chemisch aktiven Komponenten des Systems in Berührung kommt, muss lediglich die Temperaturverträglichkeit der verwendeten Materialien beachtet werden. Auch das Gewicht und die Gesamtkosten einer Batteriezelle steigen durch die Nickelfolie nur geringfügig um 1,3% beziehungsweise 0,5%. Zusätzlich zeigt die Studie, dass im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien das untersuchte Batteriesystem – paradoxerweise – nicht so starker Kühlung bedarf, da durch den anfänglichen, lokalen Heizschritt der Temperaturanstieg im Gesamtsystem und somit die Gefahr der Überhitzung nicht so groß ist. Deshalb glänzt hier auch die Energiebilanz: die durch Aufheizen der Anode und beim Ladevorgang verlorene Gesamtenergie ist nur 16% höher als die der Batterien ohne vorgeschalteten Heizschritt – wobei die Batterie jedoch dreimal schneller geladen wird.

Es gibt also jede Menge Gründe, optimistisch zu sein, was die Idee einer lokalen „Anodenheizung“ betrifft. Jedoch bleibt abzuwarten, ob diese den Anforderungen gerecht wird: Bisher wurde nur im Labor getestet, was erfahrungsgemäß nicht heißt, dass diese Entwicklung auch den Praxistest übersteht.

Quellen:

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(19)30481-7#%20

https://energyload.eu/stromspeicher/forschung/neue-batterie-elektroauto/