Mehrere Unternehmen haben bereits Lithium-Ionen-Batterien gebaut, die sich in wenigen Minuten vollständig aufladen lassen — allerdings nur im Labormaßstab. Ihr nächstes Ziel ist deshalb, die Pilotbatterien serienmäßig in Elektroautos zu bringen. Den aktuellen Stand in Forschung und Entwicklung aus US-Sicht hat das Magazin Wired in einem ausführlichen Artikel zusammengefasst, den wir hier wiedergeben. Ende letzten Jahres kündigten bereits die Formel-E-Verantwortlichen vielversprechende Spezifikationen für die dritte Generation ihrer vollelektrischer Rennwagen an: Ab 2022 sollen die Formel-E-Flitzer extrem schnelle Ladestationen verwenden, die genug Leistung bieten, um den Akku eines Tesla Model S in nur zehn Minuten vollständig aufzuladen. Obwohl die Rennfahrer diese Ladestationen nur für kurze Boxenstopps nutzen, erlaubt diese Technologie schon einen Blick in die Zukunft jenseits der Rennstrecke: Elektroauto-Batterien, die in etwa der gleichen Zeit aufgeladen werden, die zum Befüllen eines Verbrennertanks benötigt wird.
Es gibt zwar bereits einige richtig schnelle Ladestationen. Elektroautos von Tesla und Porsche können an Ultraschnellladern mit bis zu 350 kW Leistung innerhalb von 30 bis 40 Minuten fast vollständig aufgeladen werden. Fast deshalb, da oberhalb von etwa 80 Prozent der Akkukapazität die Schnelllader ihre Energieabgabe drosseln, um den Akku nicht zu arg zu beanspruchen. Deshalb dauert es auch verhältnismäßig länger, den Akku komplett zu füllen. Für das vollständige Laden eines Akkus ist es schonender, ihn an einer deutlich langsameren Wallbox über Nacht aufzuladen.
„Mehr als 50 Prozent der US-Bevölkerung leben in Wohnungen, Eigentumswohnungen oder Häusern ohne eine eigene Lademöglichkeit“, sagt Matthew Keyser, Leiter der Gruppe für elektrochemische Energiespeicher im National Renewable Energy Laboratory (NREL), in einem Gespräch mit dem US-Magazin Wired. „Um die Akzeptanz von Elektroautos zu erhöhen, müssen wir ein Mittel bereitstellen, um für dieses Segment unserer Gesellschaft schnelle Lademöglichkeiten zu schaffen“, erklärt der Forscher die Dringlichkeit für Weiterentwicklungen beim schnellen Laden.
Lithium-Plating will gebannt werden
Die Erhöhung der Laderate eines Lithium-Ionen-Akkus ist jedoch mit Kompromissen verbunden. Während des Ladens fließen Lithium-Ionen von der Kathode der Zelle zu ihrer Anode, die typischerweise aus Graphit, einer Art Kohlenstoff, besteht. Die Anode funktioniert vereinfacht ausgedrückt wie ein Eimer, der die Ionen sammelt und speichert, während der Akku geladen wird. Dickere Anoden — größere Eimer — können zwar mehr Energie in Form von Lithium-Ionen aufnehmen, wodurch Elektroautos mit einer einzigen Ladung weiter fahren können. Dickere Anoden erschweren aber auch das schnelle Laden, da die Ionen in der Anode weiter wandern müssen. Wenn die Ionen während eines Ladevorgangs nicht schnell genug in die Anode eindringen können, kommt es zu einem molekularen Stau und das Lithium sammelt sich an der Oberfläche.
Dieses Phänomen, das als Lithium-Plating bezeichnet wird, kann die Leistung einer Batterie beeinträchtigen. Und wenn sich zu viele Ionen auf der Oberfläche der Anode stapeln, können sich verzweigte Äste bilden, die die Barriere zwischen der Anode der Batterie und ihrem Elektrolyten durchbrechen. Diese sogenannten Lithium-Dendriten können einen Kurzschluss der Zelle verursachen.
Anna Tomaszewska, Chemieingenieurin am Imperial College London, die kürzlich ein Übersichtsartikel über schnell aufladbare Lithium-Ionen-Batterien verfasst hat, sagt Wired zufolge, eine mögliche Lösung für das Lithium-Plating bestehe darin, der Anode Silizium hinzuzufügen. Silizium ist billig, reichlich vorhanden und kann die Kristallstruktur der Anode so verändern, dass Lithium-Plating weniger wahrscheinlich ist. „Silizium ist bei den Herstellern besonders beliebt, da es auch die Energiekapazität der Batterie verbessern kann“, fügt Tomaszewska hinzu.
Silizium als Lösung?
In der Tat haben bereits viele Unternehmen, einschließlich Tesla, den Graphitanoden Silizium oder Siliziumoxid zugesetzt, um etwas mehr Energie aus ihren Lithium-Ionen-Zellen herauszupressen. Aber Enevate, ein Energiespeicherunternehmen mit Sitz in Südkalifornien, möchte auf Graphit komplett verzichten. In den letzten 15 Jahren habe das Unternehmen einen extrem schnell aufladbaren Lithium-Ionen-Akku mit einer Anode aus reinem Silizium perfektioniert, schreibt Wired: Anfang dieses Jahres gaben die Forscher des Unternehmens bekannt, die neueste Batteriegeneration könne in nur fünf Minuten zu 75 Prozent aufgeladen werden — ohne die Energiedichte zu beeinträchtigen. „Wir können schnell aufladen, ohne an Energiedichte zu verlieren, da wir einen kostengünstigen Ansatz aus reinem Silizium verwenden“, sagt Ben Park, Gründer und Chief Technology Officer von Enevate.
Skeptiker genießen Meldungen wie diese zurecht mit Vorsicht. Schließlich sind Batterieunternehmen dafür bekannt, Leistungsdurchbrüche in Versuchszellen anzukündigen, die es nie auf den Markt schaffen. Laut Jarvis Tou, Executive Vice President des Unternehmens, zeichnet sich die Technologie von Enevate jedoch dadurch aus, dass das Anodenmaterial problemlos in bestehende Herstellungsprozesse von Batterien integriert werden kann. Laut Tou befindet sich Enevate bereits in Gesprächen mit Lithium-Ionen-Herstellern, um die Anode von Enevate in kommerzielle Batterien zu integrieren. Die ersten Anwendungen für die Schnellladebatterien werden demnach in Elektrowerkzeugen zu finden sein, aber Enevate arbeitet auch mit Autoherstellern zusammen, um sie bereits 2024 in Elektroautos einzusetzen.
Andere Unternehmen bemühen sich ebenfalls um die Markteinführung von speziellen Schnelllade-Anodenchemikalien. StoreDot, ein israelisches Energiespeicherunternehmen, entwickelt eine Elektroauto-Batterie, die in weniger als zehn Minuten aufgeladen werden soll. Und im vergangenen Monat gaben Forscher des englischen Batterie-Startups Echion an, eine Lithium-Ionen-Batterie gebaut zu haben, die mit einer Anode aus gemischtem Nioboxid, die zum effizienten Transport von Lithium-Ionen nanotechnisch hergestellt wurde, in nur sechs Minuten aufgeladen werden kann. „Wir haben das Material so konstruiert, dass es eine bestimmte Kristallstruktur aufweist“, sagt Wired zufolge Jean de la Verpilliére, CEO und Gründer von Echion. „Man kann sich das als kleine Tunnel im molekularen Maßstab vorstellen, die es Lithium-Ionen ermöglichen, sehr schnell in die Anode zu gelangen.“
„Es ist schwierig, aber es ist auch keine schwarze Magie“
Diese maßgeschneiderten Batterien haben es noch nicht aus dem Labor in die reale Welt geschafft. Die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien in großem Maßstab ist eine Herausforderung, und auch die Hersteller müssen überzeugt werden, neue Materialien in ihre Montagelinien aufzunehmen. Aus diesem Grund haben Unternehmen wie Echion und Enevate der Entwicklung jener Anodenmaterialien Priorität eingeräumt, die problemlos in bestehende Batterieproduktionsprozesse integriert werden können. Beide sagen, sie befinden sich in Gesprächen mit Batterieherstellern, um ihr Anodenmaterial in kommerzielle Zellen zu integrieren. „Wir versuchen nicht, das Rad neu zu erfinden“, fügt de la Verpilliére hinzu. „Es ist schwierig, von einer Laborentdeckung zu einem Produkt zu gelangen — aber es ist auch keine schwarze Magie.“
Der Bau einer billigen Schnelllade-Batterie erfordert jedoch möglicherweise überhaupt keine neuen Anodenchemien. Bei der bereits eingangs erwähnten NREL konzentrieren sich Keyser und seine Kollegen auf die Optimierung von Graphitanoden, die aktuell in Elektroautos weit verbreitet sind. Laut Keyser verwendet das Team Computermodelle, um die Wege zu optimieren, die Lithium-Ionen auf ihrem Weg durch eine Anode nehmen, indem sie die Größe und Form der Graphitpartikel beeinflussen.
Nanoengineering-Anodenstrukturen sind im Maßstab schwer zu implementieren, aber Keysers Team untersucht auch Lösungen für Schnelllade-Batterien, bei denen die Struktur oder Chemie einer Batterieanode überhaupt nicht geändert werden muss. Beispielsweise könnten an Ladestationen intelligente Algorithmen implementiert werden, um sicherzustellen, dass eine Batterie während des Ladevorgangs zu keiner Zeit durch den Strombezug überfordert wird, was zu Lithium-Plating führen kann. Tesla macht dies bis zu einem gewissen Grad bereits: Die Ladestationen und Autos kommunizieren so, dass die Ladestation die richtige Leistung für das Alter und das Modell des aufzuladenen Autos liefert.
Schnelllade-Batterien werden dazu beitragen, die begrenzte Reichweite und die langen Ladezeiten zu überwinden, die allgemein als zwei der größten Hindernisse für die Masseneinführung von Elektroautos angeführt werden. Sie können aber auch die Elektrifizierung anderer Fahrzeuge wie Langstreckenbusse und Lastwagen im Fernverkehr beschleunigen. Beide Branchen benötigen Fahrzeuge, die viele Stunden an einem Tag lang fahren können und dabei enge Zeitpläne einhalten müssen. Bei Bussen könnten auch strategisch platzierte Schnellladestationen zum Aufladen verwendet werden, etwa während sie an einer Haltestelle warten. Langstrecken-Trucker müssten keine zusätzliche Zeit für das Aufladen einplanen, wenn dies genauso lange dauern würde wie das Befüllen eines Diesel-Tanks.
Quelle: Wired — Charge a Car Battery in 5 Minutes? That’s the Plan
