E-Mobilität und Reichweitenangst Laden in weniger als 5 Minuten: Suche nach neuen Li-Ionen-Akkus

Elektromobilität ist eines der Mittel für eine erfolgreiche Klimawende, doch oft steht dem Kauf die sogenannte Reichweitenangst im Wege. Forschende der Cornell University haben eine Lithium-Ionen-Batterie mit Indium-Anode entworfen, die superschnell in weniger als fünf Minuten laden soll.

Reichweitenangst ist ein Begriff, der im Kontext der Elektromobilität verwendet wird. Er bezieht sich auf die Angst oder Sorge von Fahrzeugnutzern, dass die Batterien ihrer Elektrofahrzeuge während einer Fahrt leer werden könnten, bevor sie ihr Ziel erreichen oder eine Ladestation finden. Diese Angst entsteht aufgrund der begrenzten Reichweite vieler Elektrofahrzeuge im Vergleich zu herkömmlichen Verbrennungsfahrzeugen sowie der begrenzten Verfügbarkeit von Ladestationen, insbesondere in ländlichen oder weniger entwickelten Gebieten.

Die Reichweitenangst kann potenzielle Käufer davon abhalten, sich für ein Elektrofahrzeug zu entscheiden, und wirkt sich daher auf die Akzeptanz und Verbreitung von Elektromobilität aus.

Auf der Suche nach einem Mittel gegen diese Angst werden in Forschung und Industrie nach Batterietechnologien mit größerer Kapazität gesucht. Und nach der Möglichkeit, den Ladevorgang des Akkus eines E-Autos so kurz wie möglich zu gestalten. Der Suche nach Schnellladetechnologien haben sich einige Forschende der Cornell University gewidmet. Im Januar 2024 teilten sie mit, eine Lithium-Ionen-Batterie entwickelt zu haben, die in weniger als fünf Minuten lädt, und deren Performance über die Lade- und Entladezyklen stabil bleibt.

Schnelles Laden, langsames Entladen

Lynden Archer, Professor für Ingenieurwissenschaften und Dekan der Cornell Engineering, betont in der Mitteilung zur Entwicklung, dass Reichweitenangst oft ein stärkeres Argument potenzieller Kunden gegen den Kauf eines E-Autos ist als der Preis oder die Kapazität des Akkus. „Wenn Sie eine Elektrofahrzeugbatterie in fünf Minuten aufladen können, dann brauchen Sie nicht unbedingt eine Batterie, die für eine Reichweite von 300 Meilen ausreicht. Sie können sich mit weniger zufriedengeben, was die Kosten für Elektrofahrzeuge senken könnte und eine breitere Akzeptanz ermöglichen würde.“

Die Forschenden, die ihre Arbeit unter dem Titel „Fast Charge, Long-Duration Storage in Lithium Batteries“ bei Joule veröffentlicht haben, konzentrierten sich bei ihrer Entwicklung entsprechend auf Technologien für Lithium-Ionen-Batterien, die ein schnelles Laden und ein langsames Entladen erlauben. Li-Ionen-Batterien sind weitverbreitet, verlässlich, leicht und relativ energieeffizient. „Allerdings dauert es Stunden, sie aufzuladen, und es fehlt ihnen die Kapazität, große Stromstöße zu bewältigen“, so die Forschenden.

Auf der Suche nach einem Design, das zu den täglichen Routinen des Konsumenten passt, haben die Forschenden ein Indium-Anodenmaterial identifiziert, das effektiv mit verschiedenen Kathodenmaterialien kombiniert werden kann, um eine Batterie zu schaffen, die schnell geladen und langsam entladen wird.

Damköhler-Zahlen

In Archers Labor wurde zuvor der Batteriedesignansatz verfolgt, indem man sich darauf konzentrierte, wie Ionen in Elektrolyten wandern und an den Grenzflächen von Metallanoden kristallisieren. Dieses Wissen wurde dazu genutzt, die Elektrodenmorphologie zu manipulieren und sicherere Anoden für Langzeitspeicherung herzustellen. Für ihre neue Lithiumbatterie wählten die Forschenden einen anderen Ansatz und konzentrierten sich auf die Kinetik elektrochemischer Reaktionen. Dabei wendeten sie ein chemisches Ingenieurkonzept namens „Damköhler-Zahl“ an, was im Wesentlichen ein Maß dafür ist, wie schnell chemische Reaktionen im Vergleich zur Geschwindigkeit ablaufen, mit der Material zur Reaktionsstätte transportiert wird.

Auf diese Weise konnte Indium als vielversprechendes Material identifiziert werden. Das weiche Metall weist zwei entscheidende Merkmale als Batterieanode auf: eine überaus niedrige Migrationsenergiebarriere, die die Geschwindigkeit bestimmt, mit der Ionen im Festkörper diffundieren; und eine moderate Austauschstromdichte, die mit der Geschwindigkeit verbunden ist, mit der Ionen in der Anode reduziert werden. Die Kombination dieser Eigenschaften – schnelle Diffusion und langsame Oberflächenreaktionskinetik – ist entscheidend für schnelles Laden und Langzeitspeicherung.

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Es gibt einen Haken

Allerdings, so Archer, sei die entwickelte Technologie weit von einer Marktreife entfernt, denn der Haken ist: Indium ist ein Schwermetall. Doch das sehen die Forschenden als Herausforderung. „Darin liegt eine Chance für die computergestützte chemische Modellierung, möglicherweise unter Verwendung generativer KI-Werkzeuge, um herauszufinden, welche anderen leichten Materialchemien die gleichen intrinsisch niedrigen Damköhler-Zahlen erreichen könnten. Gibt es etwa Metalllegierungen, die wir noch nie untersucht haben und die gewünschten Eigenschaften haben? Darin liegt meine Zufriedenheit begründet, dass ein allgemeines Prinzip am Werk ist, das es jedem ermöglicht, eine bessere Batterieanode zu entwerfen, die eine schnellere Ladegeschwindigkeit als die modernste Technologie erreicht.“ (sb)

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