Lithium-Eisen-Phosphor Massentauglicher Akku für Elektroautos kann in zehn Minuten geladen werden

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Elektroautos leiden noch unter gewissen Vorbehalten, insbesondere was die Reichweite, Ladehaltung und Aufladezeiten ihrer Akkus betrifft. Forscher der Penn State haben nun eine für Massenproduktion taugliche Batterie mit bis zu 400 km Reichweite vorgestellt, die sich schnell laden lässt.

Eine neuentwickelte wiederaufladbare Batterie für Elektrofahrzeuge kann innerhalb von zehn Minuten geladen werden. Dies erreichten US-Wissenschaftler durch ein permanentes Betreiben des Akkumulators bei 60 Grad Celsius. Dies könne bei potenziellen Käufern von Elektroautos der Sorge vor fehlender Reichweite entgegenwirken, betonen Chao-Yang Wang und seine Kollegen von der Pennsylvania State University in University Park in der Fachzeitschrift „Nature Energy“.

Rückbesinnung auf Lithium-Eisen-Phosphor-Akkumulator

Die Forscher setzen auf eine Art der Lithiumbatterien, die früher eine größere Bedeutung hatte: den Lithium-Eisen-Phosphor-Akkumulator (LEP-Akku). Dieser besitzt eine spezifische Energie von etwa 180 Wattstunden pro Kilogramm, während diese bei modernen Nickel-Mangan-Kobalt-Akkus (NMK-Akkus) etwa 250 Wattstunden pro Kilogramm beträgt. Für dieselbe Leistung müsste ein LEP-Akku also größer gebaut werden.

Das Team um Wang verwendet jedoch eine platzsparende Anordnung der Akkus, bei der langgestreckte Batteriezellen nicht zu Modulen, sondern gleich zu Batteriepacks zusammengestellt werden. Das dichtere Packen ist möglich, weil LEP-Akkus weniger Wärme abgeben und insgesamt sicherer betrieben werden können als die modernen NMK-Akkus.

Zudem kann bei LEP-Akkus auf das seltene Element Kobalt verzichtet werden, das viele moderne Batterien teuer macht. „Wir haben eine ziemlich clevere Batterie für Elektrofahrzeuge für den Massenmarkt entwickelt, mit gleichen Kosten wie für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor“, wird Wang in einer Mitteilung seiner Universität zitiert.

Das Problem bei LEP-Akkus ist jedoch, dass sie bei niedrigen Außentemperaturen schnell an Leistung verlieren. Die Reichweite eines Autos mit einer solchen Batterie sinkt bei null Grad Celsius auf 58 Prozent, bei –10 Grad sogar auf 30 Prozent der ursprünglichen Distanz.

Leistungsverlust bei geringen Temperaturen durch Nickelschicht ausgeglichen

Eine Lösung dafür hat Wangs Gruppe kürzlich entwickelt: Eine dünne Nickelfolie zwischen den Batteriezellen erhitzt sich, wenn Strom durch sie geleitet wird. Die Temperatur des Akkus steigt dann mit einem Grad pro Sekunde an und erreicht selbst bei leichtem Frost binnen einer Minute 60 Grad Celsius. Bei dieser Temperatur kann der LEP-Akku dann in 9,4 Minuten auf 80 Prozent seiner Kapazität geladen werden.

Auch beim Fahren bleibt die Temperatur bei 60 Grad. Dies ermögliche Leistungsspitzen, die eine Beschleunigung wie bei einem Porsche zulassen, hebt Wang hervor. „Die erhöhte Temperatur reduziert auch erheblich den Kühlbedarf und vereinfacht oder beseitigt dadurch das Batteriewärme-Managementsystem“, schreiben die Forscher. Zudem erlaubt diese Betriebstemperatur, die Oberfläche der Graphitelektrode zu verkleinern, was den Akku langlebiger macht. Bei einer täglichen Fahrleistung von 50 Kilometern, die der größte US-Verkehrsclub, die American Automobile Association, als Durchschnittswert angibt, könnten mit dieser Batterie mehr als 3,2 Millionen Kilometer gefahren werden, errechnen die Wissenschaftler.

Reichweiten von 400 km problemlos möglich

„Durch die sehr schnelle Aufladung können wir den Akku verkleinern, ohne Sorge um die Reichweite“, sagt Wang. Bei warmen Außentemperaturen beträgt die Reichweite des getesteten LEP-Akkus 290 Kilometer.

Die Reichweite könne aber auf 400 Kilometer erhöht werden, wenn die Batterie vergrößert und ihre Leistung von 40 auf 55 Kilowattstunden erhöht würde, erklären die Forscher. Sie sehen ihren LEP-Akku als tauglich für den Massenmarkt, nicht nur für Elektrofahrzeuge aus dem Luxussegment.

Originalveröffentlichung in der Fachzeitschrift Nature Energy: DOI: 10.1038/s41560-020-00757-7

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