Laden / Technik: Ein wärmerer Akku kann extrem schnell aufgeladen werden !

Laut einem neuen Bericht ist ein extrem schnelles Aufladen aufgrund einer erhöhten Temperatur während des Aufladens möglich. Foto: Chao-Yang Wang Group, Penn State Uni.

Erwärmen Sie die Batterie des Elektroautos - und verkürzen Sie die Ladezeit auf zehn Minuten. Forscher der Penn State University präsentieren jetzt eine Methode für extrem schnelles Laden - ohne den Akku zu beschädigen.

Schnelles Laden ist zu einem wichtigen Faktor geworden, um den Durchbruch des Elektroautos zu ermöglichen. Fahrstrecken, die die Reichweite des Fahrzeugs überschreiten, können mit einem Ladestopp von typischerweise etwa einer halben Stunde durchgeführt werden. Die meisten Schnellladegeräte leisten heute rund 150 Kilowatt.

Die Zeit ist immer noch erheblich länger als die fünf Minuten, die zum Auftanken eines benzin- oder dieselbetriebenen Autos benötigt werden. Die US-Energieagentur hat sich daher zum Ziel gesetzt, ein schnelles Aufladen zu entwickeln, das eine Aufladung von rund 320 Kilometern Fahrzeit in 10 Minuten ermöglicht. Dies setzt Leistungen von bis zu 400 Kilowatt voraus, die die Batterie stark beschädigen können.

Dieses Problem kann jedoch gelöst werden, indem der Akku während des Ladevorgangs auf bis zu 60 Grad erwärmt wird, so die Wissenschaftler der Pennsylvania State University in einem Bericht, der in der Fachzeitschrift Joule veröffentlicht wurde.

Lithiumbeschichtung Alterungsursache

Entgegen der landläufigen Meinung, wo Lithium-Ionen-Akkus im Allgemeinen bei oder knapp über Raumtemperatur aufbewahrt werden sollten - sowohl beim Laden als auch beim entladen. Erhöhte Temperaturen lassen den Akku schneller altern. Das Altern hat mehrere Ursachen, eine davon ist die Lithiumplattierung und die andere sogenannte Festelektrolyt-Interphase (siehe Infokasten).

Der Vorteil des Leitens der Ladung bei einer höheren Temperatur besteht darin, dass eine Reihe von Eigenschaften der Batterie, wie beispielsweise die Leitfähigkeit des Elektrolyten, stark verbessert werden. Dies verringert das Risiko einer Lithiumplattierung. Der Nachteil ist, dass die hohe Temperatur stattdessen ein übermäßiges  Festelektrolyt-Interphase fördert.

Da die extrem schnelle Aufladung jedoch in so kurzer Zeit erfolgt, nur etwa 0,1 Prozent der Lebensdauer der Batterie, werden die Auswirkungen der erhöhten Wärme kein großes Problem sein, sagen die Forscher nach Tests an Batteriezellen für Hybridfahrzeuge.

Fertig mit 1.700 Ladezyklen bei 6 ° C
Die auf 60 Grad Celsius vorgewärmte Zelle durchlief 1.700 Ladezyklen, bevor die Kapazität auf 80 Prozent abfiel. Die bei 20 Grad gehaltene Kontrollzelle bewältigte nur 60 Zyklen. Die verwendete Laderate betrug 6 ° C, was bedeutet, dass es per Definition 10 Minuten dauert, um von 0 auf 100 Prozent zu gelangen. Die Zellen wurden auf 80 Prozent der Kapazität geladen, was der typische Wert für schnelles Laden ist. Das Laden der letzten 20 Prozent der Batterie dauert relativ lange, da der Innenwiderstand der Batterie zunimmt.

Es ist wichtig, dass die Batteriezelle nicht länger als unbedingt erforderlich warm gehalten wird. Deshalb haben die Forscher eine Nickelfolie in den Akku integriert, die ihn in nur 30 Sekunden auf 60 Grad vorheizt.

Interessanterweise verringerte sich der Kühlbedarf für die auf 60 Grad erhitzte Zelle. Nach dem Aufladen wurden nur 1,7 Wattstunden erzeugt, verglichen mit 3,05 Wh für eine vergleichbare Zelle.

Der Kühlbedarf nahm ebenfalls ab
"Der Schlüssel ist eine schnelle Erwärmung, da die Batterie sonst zu lange bei erhöhten Temperaturen verbleibt und eine ernsthafte Verschlechterung verursacht", sagte der leitende Forscher Chao-Yang Wang in seiner Erklärung.

Die Tests wurden nur an einzelnen Zellen durchgeführt, aber die Forscher glauben, dass die Technologie leicht skalierbar ist. Die Nickelfolie erhöht zwar die Kosten pro Zelle um 0,47 Prozent. Andererseits sinken die Gesamtkosten eines Batteriepacks, wenn der Bedarf an Wärmeschleifen verschwindet, heißt es.

Einwand gegen diese Methode

Daniel Brandell, Professor für Materialchemie und Forscher am Ångström Advanced Battery Center der Universität Uppsala, hat den Bericht zur Kenntnis genommen. Er ist der Meinung, dass der Versuch, verschiedene Betriebstemperaturbereiche für verschiedene Benutzerfehler in der Batterie anzupassen, ausgezeichnet ist.

"Ich bin skeptisch, dass die Alterungseffekte vernachlässigbar sind, da während des Schnellladens große Ströme durch die Zelle fließen und dann viele Nebenreaktionen auftreten", schreibt er in einer E-Mail an das Technikmagazin Ny Teknik.

Er weist auch darauf hin, dass die Methode auch die Energieeffizienz beeinflusst und das die Tests anscheinend nur in kleinem Maßstab durchgeführt werden: "Es ist schwierig zu sagen, ob dies für große Akkus funktionieren wird."
„Dies wurde in verschiedenen Kontexten diskutiert, in denen ich involviert war, aber ich weiß nicht, ob jemand etwas veröffentlicht hat. Die Idee ist überhaupt nicht neu “, schreibt er.



Fakten: Lithiumbeschichtung und Festelektrolyt-Interphase

Lithiumbeschichtung: Bei einem Defekt der Batterie können sich die Lithiumionen als Metall auf der Graphitanode ansammeln, was wiederum zu Kurzschlüssen und Bränden führen kann. Die Beschichtung kann auch bei hohen Ladeströmen oder niedrigen Temperaturen erfolgen.

 Festelektrolyt-Interphase: Bedeutet, dass sich auf den Elektroden verschiedene feste chemische Zusammensetzungen bilden, die unter anderem aus Lithiumverbindungen bestehen. In angemessenem Umfang ist das  Festelektrolyt-Interphase kein Problem. Es ermöglicht den Transport von Lithiumionen, blockiert jedoch Elektronen