Aufladen von Elektroautos in zehn Minuten

Elektrofahrzeuge in zehn Minuten so aufladen, dass sie 320 Kilometer fahren können: Das verspricht ein neues Ladekonzept von US-Forschern. Das Konzept nutzt einem Trick.

Die Gruppe um Chao-Yang Wang von der Pennsylvania State University in University Park hat ein Konzept entwickelt mit dem Elektrofahrzeuge in zehn Minuten so aufladen werden, dass sie bis zu 320 Kilometer fahren. Dazu heizen die Forscher vor dem Aufladen den Lithium-Ionen-Akku kurzzeitig auf 60 Grad Celsius auf. Auch nach 2500 Ladezyklen verfüge der Akku noch über mehr als 90 Prozent seiner ursprünglichen Kapazität, schreibt das Team in der Fachzeitschrift „Joule“.

„Schnelles Laden ist der Schlüssel für eine großflächige Einführung von Elektrofahrzeugen“, wird Wang in einer Mitteilung seiner Universität zitiert. Er und seine Kollegen verwendeten Standardbatterien und -batterieteile, um ihre neue Lademethode zu testen. Deshalb betonen sie, dass ihre Technologie schnell angewendet werden könnte.

Höhere Temperaturen beschleunigten das Altern – eigentlich

Der neue Ansatz besteht darin, dass der Akku unmittelbar vor dem Aufladen aufgeheizt wird. Das widerspreche bisherigen Empfehlungen, schreiben die Wissenschaftler. Denn höhere Temperaturen beschleunigten das Altern der aufladbaren Batterie, was eine Verringerung der Ladekapazität bis hin zum Verlust der Ladefähigkeit mit sich bringen kann. Das Team reduzierte das Altern jedoch auf ein Minimum, weil die Ladephasen bei 60 Grad Celsius auf zehn Minuten begrenzt werden. Die Stromentnahme für das Fahren geschieht dann bei niedrigeren Temperaturen.

Für das gleichmäßige Aufheizen des Akkus bauten die Forscher Nickelfolie ein. Deren Widerstand gegen den Stromfluss ist so groß, dass sie schnell aufgeheizt wird und die Batterie in nur 30 Sekunden auf 60 Grad Celsius bringt. Nach Angaben der Wissenschaftler erhöht die Nickelfolie das Gewicht einer herkömmlichen Zelle nur um 1,3 Prozent und die Kosten um 0,47 Prozent. Dafür verhindert das Laden bei 60 Grad Celsius, dass Lithium an einer Elektrode zweigartige Dendriten bildet, was nach und nach die Kapazität des Akkus verringern und zu Sicherheitsproblemen führen könnte.

Da aktuelle Akkus beim Schnellladen gekühlt werden müssten, sei auch der Energieaufwand nicht besonders groß, schreiben die Forscher. Wenn man von der benötigten Energie für das Aufheizen den geringeren Aufwand für das Kühlen abziehe, blieben 1,36 Prozent der Zellenenergie als zusätzlicher Energieaufwand des neuen Ladekonzepts übrig, rechnen sie vor.

Theoretisch mehr als 800 000 Kilometer mit einer Batterie

Mit ihrer Versuchsbatterie erreichten sie nach 2500 Schnellladezyklen von jeweils null auf 80 Prozent der Kapazität noch eine Gesamtkapazität des Akkus von 91,7 Prozent. Bei dieser Anzahl an Ladezyklen könnte ein Fahrzeug mehr als 800 000 Kilometer weit fahren.

Maximilian Fichtner vom Helmholtz-Institut Ulm sieht in der Studie einen interessanten Ansatz für kürzere Ladezeiten. Zugleich warnt er vor zu viel Euphorie: „Erfahrungsgemäß sind eine Reihe von Entwicklungsschritten nötig, bis eine Batterie serienmäßig eingesetzt werden kann. Erst am Ende sieht man, was eine neue Technik tatsächlich bringt.“

Der Fokus der großen Akkuhersteller liege derzeit darauf, das Metall Kobalt aus den Lithium-Ionen-Akkus zu entfernen, da seine Gewinnung teilweise unter problematischen Bedingungen geschehe. Ein weiteres Ziel ist Fichtner zufolge, den feuergefährlichen flüssigen Elektrolyten durch einen Feststoff zu ersetzen.

Für die Entwicklung der Lithium-Ionen-Batterie bekommen drei Forscher dieses Jahr den Nobelpreis für Chemie: John Goodenough, Stanley Whittingham und Akira Yoshino. Durch ihre Forschung liefert dieser Batterietyp Energie für mobile elektronische Geräte ebenso wie für Elektroautos. Lithium-Ionen-Batterien „haben die Grundlage gelegt für eine drahtlose, von fossilen Brennstoffen freie Gesellschaft und sind für die Menschheit von größtem Nutzen“, hieß es in der Begründung des Nobelpreis-Komitees Anfang Oktober.

Originalveröffentlichung:

In der Fachzeitschrift Joule: DOI: 10.1016/j.joule.2019.09.021.

Erhöhte Speicherkapazität von Li-Ionen-Akkus durch elastische Nano-Schichten

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