Winter-Durchbruch für Batterien

Ingenieure der in Ann Arbor beheimateten University of Michigan (U-M) haben eine Technologie entwickelt, die das Laden von Elektroauto-Batterien bei niedrigen Temperaturen um 500 Prozent beschleunigt. Dies könnte ein entscheidender Schritt sein, um die Probleme zu lösen, die potenzielle Käufer von Elektrofahrzeugen im Winter abschrecken – wie langsames Laden und eine deutlich reduzierte Reichweite.

Bei Kälte langsamer

Bei niedrigen Temperaturen verlangsamt sich die Bewegung der Lithiumionen innerhalb der Batterien, was zu langsamerem Laden und einer geringeren Reichweite führt. Zur Reichweitenerhöhung setzten die Automobilhersteller auf dickere Elektroden. Bei diesen dringen jedoch die Ionen schwerer in die Tiefe, was das Laden erschwert. "Das Laden einer Elektrofahrzeugbatterie dauert selbst bei aggressiver Schnellladung 30 bis 40 Minuten, und im Winter verlängert sich diese Zeit auf über eine Stunde. Genau hier wollen wir ansetzen", bekräftigt Professor Neil Dasgupta, der an der U-M in der Fakultät für Maschinenbau arbeitet.

Beschichtung und Mikro-Kanäle

Ein Team um Professor Neil Dasgupta hat jetzt eine Lösung für die Probleme entwickelt. Laser graben 40 Mikrometer breite Kanäle in die Anode, was einen deutlich besseren Transport von Ionen in das Innere der Elektrode ermöglicht. Hinzu kommt eine glasartige 20 Nanometer dünne Lithiumboratcarbonat-Beschichtung auf der Anode, die das sogenannte Lithium-Plating verhindert. Lithium-Plating ist die unerwünschte Ablagerung von metallischem Lithium auf der Oberfläche der Anode, insbesondere während des Schnellladens oder während des Betriebs bei niedrigen Temperaturen. Dies führt zu Kapazitätsverlust, erhöhten Sicherheitsrisiken und einer verkürzten Lebensdauer des Akkus. Im Ergebnis sollen die neuen Batterien bei minus zehn Grad Celsius jetzt fünfmal schneller laden. Und nach 100 Schnellladezyklen behält die Batterie immer noch 97 Prozent ihrer Kapazität.

Passt zu bestehenden Produktionsprozessen

Professor Neil Dasgupta betont, die Beschichtung der Anoden erfolge mittels Atomic Layer Deposition (ALD) – dieses präzise Dünnschicht-Verfahren ließe sich einfach in bestehende Produktionsprozesse integrieren. In den USA gelten kältebedingte Ladeprobleme als eine der größten Hürden für den Kauf eines E-Autos. Laut einer Umfrage des US-Automobilclubs AAA wollen 63 Prozent der US-Amerikaner kein E-Auto kaufen, weil sie reduzierten Reichweiten und langsameren Ladegeschwindigkeiten bei niedrigen Temperaturen abschrecken.

Das Forschungsteam hat ein Patent auf seine Erfindung beantragt und die Firma Arbor Battery Innovations, deren CTO (Chief Technology Officer – Technikvorstand) Professor Neil Dasgupta ist, arbeitet bereits an der Kommerzialisierung dieser Technologie. Die öffentlich-private Partnerschaftsagentur und Wirtschaftsförderungsgesellschaft Michigan Economic Development Corporation fördert die Weiterentwicklung, um die Technologie für die Serienproduktion fit zu machen.