Chao-Yang Wang von der University of Pennsylvania hat das Laden einer Batterie revolutioniert. Foto/Screenshot: Penn State University/omnibus.news
Elektromobilität gilt als wichtiger Baustein für zukünftige Verkehrskonzepte. Im Bereich innerstädtischer Beförderungsangebote ist ein elektrischer Antrieb für Linienbusse schon gesetzt. Doch bisher hapert es noch, denn die Reichweite der Elektrobusse liegt noch unter den Wünschen der Betreiber. Schuld ist die Batterie mit ihrer geringen Kapazität und die lange Dauer des Nachladens. Während das Dieseltanken in wenigen Minuten erledigt ist, kommt man beim Stromtanken nicht unter einer Stunde weg – wenn der Elektrobus im Depot geladen wird. Die Welt der Elektromobilität ist voller Überraschungen: Am Wochenende machte die Nachricht von Forschern um Chao-Yang Wang der University of Pennsylvania die Runde, dass jetzt eine neue Lithium-Batterie entwickelt worden sei, die die Elektromobilität revolutioneren könnte. Ist jetzt das Problem, dass die volle Leistungsfähigkeit einer Batterie nur für eine relativ kurzen Strecke zur Verfügung steht sowie der Nachteil der langen Ladezeiten gelöst? Und wie sieht es mit dem Überhitzen sowie der Brandgefahr aus? Das Team um Forscher Chao-Yang Wang erklärt, dass es eine Lithium-Ionen-Batterie konzipiert hätte, die sich innerhalb von nur zehn Minuten vollständig aufladen lasse und mit ihrer großen Kapazität eine entsprechende Reichweite von 380 bis 420 Kilometern für Elektrofahrzeuge (gemeint sind Pkw) verspreche. Möglich mache dies eine neue Bausweise. Die neue Batterie erwies sich bei den zahlreichen Tests beim schnellen Aufladen als äußerst robust, wie die Forscher berichten. Und: Die sich dabei entwickelnde Hitze betrug gerade einmal 60 Grad. Das hätte sich auch nicht nach einem Dauertest von 1700 Lade-Entlade-Zyklen geändert, versichern die Forscher. Ein normaler Lithium-Ionen-Akku ohne Nickelheizung überhitzte sich bereits nach 60 Schnellladezyklen. Noch ein Vorteil der neuen Bauweise: Die Batterie benötige nun kein aufwendiges Kühlsystem mehr, die ein Überhitzen der Batteriezellen verhindere. Zur Zeit vertragen die verbauten Lithium-Ionen-Akkus nur eine begrenzte Ladeleistung. Wird diese Schwelle überschritten, bilden sich auf der Graphit-Anode flächige Ablagerungen aus Lithium, die die Funktion der Batterie stark beeinträchtigen. „Ein Hauptsymptom dieser Lithium-Auflagerung ist der drastische Abfall der Kapazität“, erklären Xiao-Guang Yang und seine Forscher. Damit die Ladezeit auf rund zehn Minuten verkürzt werden kann, müssten die Akkus eine Ladeleistung von 400 Kilowatt aushalten – bisher ist dies unmöglich. „Das hält keine heutige Elektroauto-Batterie aus“, so die Forscher. „Der Schlüssel liegt in einer asymmetrischen Modulation der Temperatur“, verraten die Forscher. Denn wenn man beim Laden die Lithium-Ionen-Akkus schnell und kurzzeitig auf rund 60 Grad erhitzt, bleibt die flächige Ablagerung von Lithium aus – selbst bei 400 Kilowatt Ladeleistung. Aber: Das Erhitzen muss schnell und vor allem kurz geschehen, um andere Schäden an der Batterie zu verhindern, wie die Forscher auch festgestellt haben. Denn hält die Wärme länger an, verändert sich die Struktur des Elektrolyten und das wiederum beeinträchtigt ebenfalls die Funktionsfähigkeit der Batterie. Versucht man jedoch, den Akku von außen auf die richtige Temperatur zu bringen, dauert allein das Aufheizen auf 60 Grad schon fast zehn Minuten. Jetzt kündigen die Forscher an, noch weiter gehen zu wollen: Als nächstes wollen sie eine Batterie entwickeln, die bereits nach fünf Minuten voll aufgeladen ist… Spannend, im wahrsten Sinne. Mehr Details gibt es hier. Doch kaum ist ein Problem gelöst, tritt das nächste auf: Batteriehersteller beklagen unisono die Verfügbarkeit von Lithium und Kobalt. Schon jetzt sorge die wachsende Nachfrage nach Kobalt zu einer Verknappung und Verteuerung des Metalls. Der Nobelpreis für Chemie geht dieses Jahr an John B. Goodenough (USA), M. Stanley Whittingham (UK, derzeit USA) und Akira Yoshino (Japan). Alle drei Chemiker arbeiteten zwischen den 70er- und 80er-Jahren unabhängig voneinander an der Lithium-Ionen-Technologie für Batterien. Olof Ramström, Mitglied des Nobelpreis-Komitees, fasst zusammen: “Wir haben mit der Lithium-Ionen-Batterie einen Zugang zu Energie, wohin wir auch gehen”. Doch vorher habe das chemische Element Lithium erst einmal gezähmt werden müssen, weil es hochgradig reaktiv sei. “Es ist eine Superkraft in einer kleinen Batterie, die eine dramatische Wirkung auf unsere Gesellschaft hatte.”
Das Team um Forscher Chao-Yang Wang erklärt, dass es eine Lithium-Ionen-Batterie konzipiert hätte, die sich innerhalb von nur zehn Minuten vollständig aufladen. Grafik: Wang