Beheizter Akku für E-Autos ist in 10 Minuten geladen

Lithium-Ionen-Akkus für Elektroautos haben ihr Potenzial derzeit noch nicht ausgeschöpft: Geringe Reichweite, lange Ladezeiten und kurze Lebensdauer bremsen sie noch aus. Für zwei dieser Probleme wurde nun von US-Wissenschaftlern eine Lösung präsentiert. "Elektrofahrzeuge werden erst dann wirklich konkurrenzfähig, wenn sie so schnell geladen werden können, wie das Befüllen eines Bezintanks dauert," heißt es im Forschungbericht unter der Leitung von Chao-Yang Wang von der Penn State Universität.

Hitze und Schnelladen

Eigentlich sind sowohl sehr hohe und niedrige Temperaturen als auch schnelles Laden schädlich für Lithium-Ionen-Akkus. Alle drei Szenarien können für einen irreversiblen Kapazitätsverlust sorgen. Lädt man Akkus mit extrem hoher Geschwindigkeit, kommt es zu Metallablagerungen, die im schlimmsten Fall einen Kurzschluss auslösen können, normalerweise aber einfach abbröckeln und so die Kapazität der Batterie verringern.

Hohe und niedrige Temperaturen verursachen ungewollte chemische Reaktionen: Bei Hitze bilden sich Nebenprodukte, bei Kälte können die Elektrolyte einfrieren und der Alterungsprozess des Akkus beschleunigt sich rapide. Bei Kälte laufen zudem alle Prozesse langsamer ab, auch die Abgabe von Energie. 

Kontrolliertes Heizen

Das kontrollierte Beheizen eines Akkus ist daher ein logischer Schritt, insbesondere bei sehr kalten Umgebungstemperaturen. So konnten die Wissenschaftler die Geschwindigkeit erhöhen, mit der der Akku geladen wird. Die Batterien erhalten einen Hitze-Regulator, der sie zunächst auf Umgebungstemperatur bringt. Für die Zeit des Schnellladens werden die Temperaturen dann auf etwa 50°C bis 60°C erhöht. Der Vorgang verhindert nicht, dass sich unerwünschte Nebenprodukte in der Batterie ablagern. Durch die kurze Ladezeit hält sich diese Produktion jedoch in Grenzen.

Mit dieser Methode konnten die Wissenschaftler den Akku innerhalb von zehn Minuten zu 80 Prozent laden. Bemerkenswert ist, dass die Batterien nach 2.500 Ladezyklen nur 10 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität verloren. In der Regel gibt man solchen Akkus im Betrieb unter Realbedingungen eine Lebensdauer zwischen 500 und 1.000 Ladezyklen. Zum Vergleich: Akkus ohne Heizung, die in der gleichen Geschwindigkeit geladen wurden, verloren bereits nach 60 Ladungen 20 Prozent ihrer Kapazität. 

Abstriche bei Reichweite

Abstriche müssen aber bei der Gesamtkapazität gemacht werden. Nur 80 Prozent des Schnelllade-Akkus können genutzt werden, dann erfolgt aus Sicherheitsgründen ein Lade-Stopp. Zudem wurden bisher nur Batterien mit einer Energiedichte von 209 Wattstunden pro Kilogramm getestet. Aktuelle E-Auto-Batterien haben derzeit bis zu 250 Wattstunden pro Kilogramm Energiedichte. Somit wäre die maximal mögliche Reichweite eines E-Autos mit der Schnelllade-Batterie derzeit deutlich geringer als bei einem herkömmlichen Elektroauto. 

Bisher wurden die Akkus nur unter Laborbedingungen getestet. Insbesondere die Auswirkungen von schwankenden Umgebungstemperaturen in Sommer und Winter könnten eine Herausforderung für die Batterien sein.

Die tatsächliche Verwendung solcher Akkus in Fahrzeugen ist aber durchaus denkbar. Die Autohersteller könnten die Heiz- und Kühlsysteme der Elektroautos anpassen, damit solche Batterien mit Schnellladung in Serienfahrzeugen verbaut werden können.