Innerhalb von zehn Minuten geladen Forscher entwickeln Hochenergie-Batterie für E-Autos

Lange Ladezeiten vermiesen vielen Menschen die Freude am Elektroauto. US-Forscher haben nun einen Akku gebaut, der sich innerhalb von zehn Minuten fast vollständig wieder mit Energie versorgen lässt.
Durchbruch für die E-Mobilität? Eine Gruppe um den Forscher Chao-Yang Wang hat einen neuartigen Akku entwickelt (künstlerische Darstellung)

Durchbruch für die E-Mobilität? Eine Gruppe um den Forscher Chao-Yang Wang hat einen neuartigen Akku entwickelt (künstlerische Darstellung)

Foto: Chao-Yang Wang Group

Das Geheimnis der Batterie, die das Warten an der Ladesäule beenden soll, ist etwa so fein wie ein Haar und wiegt so viel wie ein Cent-Stück. US-amerikanische Forscher haben Akkus mit dünnen Folien aus Nickel ausgestattet  und ihnen so eine lang ersehnte Eigenschaft verpasst: Sie lassen sich innerhalb von nur zehn Minuten zu 80 Prozent aufladen. Mit der Technologie könnte das Auffüllen der Stromspeicher in Elektroautos zukünftig fast so schnell gehen wie heute das Tanken an der Zapfsäule.

Bislang gehört die mangelnde Reichweite zu den wesentlichen Gründen, warum sich Elektroautos auf deutschen Straßen nicht durchsetzen. Denn ist der Akku leer, müssen Fahrer eine längere Zwangspause einlegen. Selbst bei neuen Modellen dauert es in der Regel mindestens eine halbe Stunde, bis der Akku für die nächsten dreihundert Kilometer wieder ausreichend gefüllt ist. Die Sorge, mit einem Elektroauto nicht am Ziel anzukommen, hat ihren Niederschlag sogar in einer Wortneuschöpfung gefunden: "Reichweitenangst".

Dass die Ladezeiten so lang sind, liegt an der komplexen Chemie der Lithium-Ionen-Zellen, die bislang in allen Elektroautos zum Einsatz kommen. Wird ein solcher Akku aufgeladen, lagern sich Lithium-Ladungsträger in einer Elektrode ein, einer Schicht aus Kohlenstoff. Beim Entladen werden sie von dort wieder abgerufen.

Besonders wichtiges Bauteil der Erfindung: eine Akku-Heizung

Je schneller die Batterie jedoch geladen wird, desto größer ist die Gefahr, dass die Ladungsträger auf der Oberfläche der Elektrode haften bleiben und dort eine metallische Schicht bilden. Dadurch verringert sich nicht nur stetig die Leistung der Zelle, im schlimmsten Fall kann ein Kurzschluss entstehen und die Batterie zerstören.

Die neuartige Batterie umgeht das Problem mit einem Trick: einer eingebauten Heizung. Vor dem eigentlichen Ladevorgang lassen die Forscher kurzzeitig Strom durch die dünnen Nickelfolien ihrer Lithium-Ionen-Batterie fließen, und erhöhen dadurch die Temperatur im Inneren auf bis zu 60 Grad Celsius. Innerhalb von zehn Minuten pumpen sie danach eine enorm hohe Energie in die Zelle. Die Wärme verhindert, dass sich eine unerwünschte Lithium-Schicht bildet.

Bislang versuchen Ingenieure eigentlich, solch hohe Temperaturen in Batterien mit allen Mitteln zu vermeiden. Denn die Hitze kurbelt unerwünschte chemische Reaktionen an und kann bestimmte Stoffe in der Zelle zersetzen. Weil die US-Forscher um Chao-Yang Wang der Pennsylvania State University ihre Batterien jedoch nur für wenige Minuten erhitzten, hielten sich die Nebenwirkungen in Grenzen.

Messungen zeigten, dass ihre Hochenergie-Batterie auch nach 2500 Ladezyklen noch mehr als 90 Prozent der Ladung speichern konnte wie zu Beginn. Damit übertreffen sie die Anforderungen deutlich, die Hersteller typischerweise an eine Batterie für ein E-Auto stellen.

Verschiedene Techniken konkurrieren um den Titel Wunderakku

Die Wissenschaftler aus Pennsylvania sind nicht die Einzigen, die an der Schnellladung von Batterien arbeiten. Andere Forscher verbessern etwa die Rezepte des Elektrolyten, des flüssigen Teils der Zelle, oder experimentieren mit neuen Stoffen für die negative Elektrode. Indem sie ihr geringe Mengen an Silizium beimischen, konnten Forscher die Bildung der gefährlichen Lithium-Metallschicht entscheidend verringern. Welche Technologie sich am Ende durchsetzen wird, ist daher noch nicht ausgemacht.

Bislang haben die US-Wissenschaftler ihren neuartigen Akku mit der Nickelfolie nur im Labor getestet - unter Idealbedingungen. Die experimentellen Daten zeigen beispielsweise, dass sie ihre Batterien nach dem Schnellladen für zehn Minuten abkühlen ließen, bevor sie diese wieder entluden - was die Wartezeit auf 20 Minuten erhöht. Für einen kommerziellen Einsatz müssen die Ingenieure zudem beweisen, dass die Technologie auch in einem großen Maßstab zuverlässig funktioniert, wenn - wie in einem E-Auto - viele Zellen zu einem Batteriepaket zusammengeschaltet werden.

Ganz so schnell wird die Reichweitenangst also nicht verschwinden.

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