Schnell

Laut einer neuen Studie können Standardbatterien für Elektrofahrzeuge einen Großteil ihrer Reichweite in nur 10 Minuten aufladen, wenn sie mit einer dünnen Nickelschicht versehen sind. Dies könnte eine willkommene und wirtschaftlich attraktive Alternative zu teuren Elektrofahrzeugen sein, die über riesige und enorm teure Batteriepakete verfügen.

Einige Forscher gehen davon aus, dass die Elektrophobie der Verbraucher und das Branchendogma gegenüber der „Reichweitenangst“ überwunden werden könnten, wenn schnellere Ladeoptionen verfügbar wären, die es ermöglichen würden, den Aufkleberpreis des Elektrofahrzeugs erheblich zu senken.

Beispielsweise könnte ein herkömmliches Langstrecken-Elektrofahrzeug mit einem 120-Kilowattstunden-Akku, der eine Stunde zum Aufladen benötigt, durch ein Elektrofahrzeug mit einem 60-kWh-Akku ersetzt werden, der eine 10-minütige Schnellladung ermöglicht und dabei eine sehr ähnliche Reisezeit beibehält Fernreisen.

„Lithium-Ionen-Batterien können bei erhöhten Temperaturen durch eine einfache Anpassung der Batteriematerialien sehr stabil und sicher sein – [und] erhöhte Temperaturen ermöglichen uns die Fähigkeit zum Schnellladen.“ – Chao-Yang Wang, Pennsylvania State

In der neuen Studie experimentierten die Forscher mit einer Lithium-Ionen-Batterie, die bei voller Ladung eine Reichweite von rund 560 Kilometern hat. (Die Energiedichte der Batterie betrug 265 Wattstunden pro Kilogramm.) Durch das Hinzufügen einer ultradünnen Nickelfolie in ihrem Inneren konnten sie sie in 11 Minuten auf 70 Prozent für eine Reichweite von etwa 400 km und in 12 Minuten auf 75 Prozent aufladen für eine Reichweite von rund 440 km.

„Unsere Technologie ermöglicht den Einsatz kleinerer, schneller aufladbarer Batterien für die Masseneinführung erschwinglicher Elektroautos“, sagt der leitende Autor der Studie, Chao-Yang Wang, Batterieingenieur an der Pennsylvania State University. „Wenn wir 200 Meilen pro Ladung verbraucht haben, können wir anhalten und auf die Toilette gehen, und 10 Minuten später ist das Fahrzeug aufgeladen und bereit für weitere 200 Meilen Fahrt. Auf diese Weise gibt es keine Reichweitenangst.“

Im Jahr 2016 fügten Wang und seine Kollegen Nickelfolie in das Innere von Lithium-Ionen-Batterien ein, um sie zu erwärmen und ihnen zu helfen, bei eisiger Kälte besser zu funktionieren. In der neuen Studie verwendeten sie ebenfalls Nickelfolie, um EV-Batterien zu erwärmen und ihre Leistung zu steigern, eine Strategie, die sie 2021 auch für Batterien für elektrische Flugautos verfolgten.

„Herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien werden für tragbare Elektronikgeräte entwickelt – daher haben Wissenschaftler und Entwickler große Angst vor Hitze“, sagt Wang. „Wir haben dieser traditionellen Denkweise widersprochen.“

Batterien funktionieren am besten, wenn sie heiß, aber nicht zu heiß sind. Für Batterieingenieure ist es eine große Herausforderung, Batterien konstant auf genau der richtigen Temperatur zu halten. In der Vergangenheit verließen sie sich zur Regulierung der Batterietemperatur auf externe, sperrige Heiz- und Kühlsysteme, die langsam reagierten und viel Energie verschwendeten, sagt Wang.

„Unsere Arbeit verbessert den aktuellen Stand der Technik um das Dreifache.“ – Chao-Yang Wang, Penn State

In der neuen Studie regulierten die Wissenschaftler die Batterietemperaturen im Inneren der Batterien mithilfe von Nickelfolie. „Wir brauchten eine einfache Möglichkeit, den Akku sehr schnell auf eine erhöhte Temperatur zu bringen – innerhalb einer Minute, da das Schnellladen nur 10 Minuten dauert“, sagt Wang. „Wir haben in unserer früheren Arbeit zu selbsterhitzenden Batterien zufällig eine interne Heizfolie erfunden.“

Alles in allem stellten sie fest, dass „Lithium-Ionen-Batterien mit einer einfachen Anpassung der Batteriematerialien bei erhöhten Temperaturen sehr stabil und sicher sein können“, sagt Wang. Dadurch konnten sie „den Nebeneffekt genießen, dass erhöhte Temperaturen uns die Fähigkeit zum Schnellladen ermöglichen.“

Bei einer Ladung von 75 Prozent hielt die Batterie mehr als 900 Zyklen, was einer Reichweite von etwa 402.000 km entspricht, und bei einer Ladung von 70 Prozent etwa 2.000 Zyklen, was einer Reichweite von etwa 804.000 km bzw. 500.000 Meilen entspricht. Insgesamt entspreche diese Leistung also einer Reichweite von einer halben Million Meilen, wobei jede Ladung eine Schnellladung sei, heißt es.

Die Wissenschaftler stellen fest, dass sich ihre Arbeit „ganz von aktuellen Elektroautos unterscheidet, die nach 10 Minuten Ladezeit 100 oder 150 Meilen zurücklegen, weil diese Autos normalerweise eine Reichweite von 600 Meilen haben, so dass das Auffüllen von Energie für 150 Meilen im Wesentlichen einem Aufladen auf 25 Prozent entspricht.“ "Wang sagt. „Unsere Arbeit verbessert den aktuellen Stand der Technik um das Dreifache.“

Diese Ergebnisse kommen zu einem Zeitpunkt, an dem Kalifornien, der größte Automarkt in den Vereinigten Staaten, anstrebt, den Verbrennungsmotor bis 2035 endgültig aus dem Verkehr zu ziehen. Die neue Schnellladetechnologie funktioniert für die meisten energiedichten Batterien und ermöglicht den Einsatz von Elektrofahrzeugen mit relativ kleinen Abmessungen , billige Batterien, die durch schnelles Laden dennoch Reichweitenangst vermeiden können, sagt Wang.

Wangs Labor arbeitete bei der Entwicklung der Technologie mit dem Startup EC Power zusammen. Das Unternehmen arbeitet nun an der Herstellung und Vermarktung der Schnellladebatterie.

In Zukunft „möchten wir erreichen, dass Batterien mit ultrahoher Energiedichte in 5 Minuten zu 80 Prozent aufgeladen werden. Dies wird den Verbrauchern ein ähnliches Erlebnis bieten wie beim Tanken von Benzin“, sagt Wang. „Wir glauben, dass wir den wissenschaftlichen Grundstein für dieses ultimative Ziel gelegt haben, und was jetzt noch übrig bleibt, ist die Feinabstimmung stabilerer Materialien und unserer Strategie zur thermischen Modulation.“

Die Wissenschaftler erläuterten ihre Ergebnisse online am 12. Oktober in der Zeitschrift Nature.