Akkutechnik: Eingebaute Heizung lässt Akkus schneller laden

Hohe Temperaturen sind schlecht für Akkus. Forscher haben jedoch gezeigt, wie gezieltes Heizen für kurze Zeit die Schäden beim Schnellladen stark verringern kann. Zudem haben sie mehr als 2.000 Ladungen in zehn Minuten möglich gemacht.

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Symbolische Darstellung des Ladevorgangs im Lithium-Ionen-Akku
Symbolische Darstellung des Ladevorgangs im Lithium-Ionen-Akku (Bild: Chao-Yang Wang Lab, Penn State)

Der richtige Umgang mit Akkus ist kompliziert: Sowohl schnelles Laden als auch hohe Temperaturen gelten als schädlich für die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Akkus. Für Elektroautos wären schnell ladende Akkus jedoch interessant. Die Chemie treibt Forscher der University of Pennsylvania in Philadelphia nun dazu, ausgerechnet eine Heizung in ihre schnellladenden Akkus einzubauen.

Inhalt:
  1. Akkutechnik: Eingebaute Heizung lässt Akkus schneller laden
  2. Weniger Reichweite nach schneller Ladung

Laut ihrer anstehenden Veröffentlichung in der Dezemberausgabe des Fachjournal Joule schafften die Wissenschaftler es, Akkus innerhalb von rund zehn Minuten zu 80 Prozent zu laden. Sie führten etwa 2.500 dieser schnellen Ladezyklen durch. Dabei verloren die besten Zellen weniger als zehn Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität. Ohne die Heizung verloren identische Akkus dagegen schon nach 60 schnellen Ladungen 20 Prozent ihrer Kapazität.

Schnelles Laden und hohe Temperaturen sind aus unterschiedlichen Gründen schädlich für einen Akku. Wird ein Akku zu rasch geladen, werden die Lithium-Ionen nicht mehr ordentlich in der Graphit-Anode eingelagert, sondern als Lithium-Metall abgeschieden. Selbst wenn es dabei nicht zu einem Kurzschluss durch wachsende Metallkristalle kommt, nimmt die Kapazität des Akkus Schaden. Denn ein Teil dieses Metalls bröckelt von der Anode ab, ist nicht mehr elektrisch verbunden und steht somit dem Akku nicht mehr zur Verfügung.

Hohe Temperaturen sind schädlich, weil sich im Lauf der Zeit durch ungewollte chemische Reaktionen auf der Anode eine Schicht aus Zerfalls- und Abbauprodukten des Elektrolyts bildet. Auch dabei geht Lithium verloren, das nicht mehr zur Kapazität des Akkus beiträgt. Nach dem Gesetz von Arrhenius beschleunigen hohe Temperaturen solche chemischen Prozesse. Dauerhaft heiße Akkus haben darum eine kurze Lebensdauer, weshalb beim wärmeintensiven Laden von Akkus auf genaue Temperaturkontrolle geachtet wird.

Höhere Temperaturen machen Akkus schneller

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Beim Laden des Akkus wären schneller ablaufende chemische Prozesse aber hilfreich. Denn das Lithium lagert sich beim schnellen Laden deshalb auf dem Graphit ab, weil der chemische Prozess der Einlagerung zu langsam abläuft. Die Lithium-Ionen stehen quasi vor der Anode im Stau. Eine kurzzeitige Temperaturerhöhung nur für den Ladevorgang wäre hilfreich, allein schon im Winter. Deshalb bauten die Forscher eine Nickel-Folie in Akkus ein, die vor dem Laden elektrisch beheizt wird. Ursprünglich ging es nur darum, Akkus in der Winterkälte vorzuheizen und Schäden durch das Laden von unterkühlten Akkus zu vermeiden. Dabei stellten die Forscher fest, dass der Akku auch ohne negative Auswirkungen auf 60 Grad Celsius geheizt werden kann.

Nach dem anschließenden Ladevorgang, der je nach Alter des Akkus acht bis zwölf Minuten dauert, kühlt der Akku wieder ab. Dabei kommt es zwar zu unerwünschten Reaktionen im Akku: Zerfallsprodukte des Elektrolyts ließen sich auf der Graphitanode nachweisen. Aber durch die kurze Zeitdauer der hohen Temperaturen ist der Schaden insgesamt relativ gering.

Der Akku muss während des Ladens aktiv gekühlt werden, um nicht zu überhitzen. Selbst dabei sind die höheren Temperaturen auf zwei Arten hilfreich. Die Ionen bewegen sich mit weniger Widerstand im Akku und erzeugen dabei weniger Abwärme, was einen großen Teil der Energieverluste durch das Vorheizen wieder ausgleicht. Gleichzeitig sorgt der größere Temperaturunterschied zwischen der Umgebungsluft und dem heißen Akku dafür, dass das Kühlmittel mehr Abwärme transportieren und das Kühlsystem kleiner dimensioniert werden kann.

Die Forscher verwendeten bei ihrer Arbeit in der Industrie übliche Materialien, so dass sich der gesamte Prozess mit herkömmlicher Akkutechnik durchführen lassen sollte. Einige Kompromisse müssen bei der Konstruktion und beim schnellen Laden aber doch gemacht werden.

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Weniger Reichweite nach schneller Ladung 
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VigarLunaris 03. Nov 2019

Menschen sind faul. Akkus exisitieren schon schon lange, man kann einigermaßen mit ihnen...

ulink 01. Nov 2019

Nicht dürfte, das ist genau so. Wozu seinen Akku mit Schnelladung in 30 Minuten...

ulink 01. Nov 2019

Das ist deshalb nichts neues, weil das Tesla schon längst so macht.

Strulf 31. Okt 2019

Es geht hier, wie im Text beschrieben, weder um einen "neuen" Akku noch um einen über den...

SanderK 31. Okt 2019

Richtig! Aber es muss ja was geben, wo man sich Aufregen kann ;-)



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