Robert Klatt
Elektroautos laden bei niedrigen Temperaturen sehr langsam und verlieren an Reichweite. Eine Optimierung der Lithium-Ionen-Batterien kann die Ladegeschwindigkeit bei Minustemperaturen verfünffachen.
Ann Arbor (U.S.A.). Lithium-Ionen-Batterien aus Elektroautos können bei niedrigen Temperaturen nur langsam geladen werden. Forscher der University of Michigan (UMich) haben nun eine neue Technik entwickelt, die die Ladezeiten bei Minusgraden deutlich reduziert und die Reichweite erhöht.
„Wir sehen diesen Ansatz als eine Methode, die Batteriehersteller ohne große Änderungen an bestehenden Fabriken übernehmen könnten. Zum ersten Mal zeigen wir einen Weg, wie man extrem schnelles Laden bei niedrigen Temperaturen ermöglichen kann – ohne die Energiedichte der Lithium-Ionen-Batterie zu beeinträchtigen.“
Laut den Wissenschaftlern können Lithium-Ionen-Batterien mit der neuen Methode bei Temperaturen von bis zu minus zehn Grad Celsius fünfmal schneller laden als bisher. Die optimierten Lithium-Ionen-Batterien haben in den Tests nach 100 Schnellladezyklen bei Kälte noch 97 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität beibehalten.
In Lithium-Ionen-Akkus bewegen sich Lithium-Ionen beim Laden und Entladen durch einen flüssigen Elektrolyten zwischen zwei Elektroden. Dieser Prozess läuft bei niedrigen Temperaturen deutlich langsamer ab und die Ladegeschwindigkeit sowie die Reichweiten sinken. Viele Autohersteller nutzen deshalb dickere Elektroden, die zwar die Reichweite erhöhen, aber die Ladegeschwindigkeit verlangsamen.
Die Forscher der UMich haben deshalb bereits in der Vergangenheit etwa 40 Mikrometer große Kanäle entwickelt, die in die Anode eingearbeitet werden. Beim Laden können Lithium-Ionen dadurch auch im Inneren der Elektro andocken, und der Lithium-Ionen läuft bei Raumtemperatur deutlich schneller ab.
Bei Kälte haben diese Kanäle die Ladegeschwindigkeit jedoch nicht erhöht, weil sich auf der Oberfläche der Elektrode eine chemische Schicht bildet, wenn sie mit den Elektrolyten reagieren. Die Forscher vergleichen diesen Prozess mit kalter Butter.
„Man kann zwar ein Messer hindurchschneiden – aber kalt ist es wesentlich schwieriger. Wenn man versucht, durch diese Schicht schnell zu laden, lagert sich Lithium-Metall auf der Anode ab wie bei einem Stau."
„Diese Ablagerung verhindert, dass die gesamte Elektrode geladen wird. Das reduziert die Energiekapazität der Batterie erneut.“
Laut der Publikation im Fachmagazin Joule haben die Forscher deshalb eine Beschichtung aus Lithium-Borat-Carbonat entwickelt, die die Entstehung der störenden Schicht verhindert. In Kombination mit den Kanälen laden Lithium-Ionen-Batterien dadurch bei Minustemperaturen bis zu fünfmal schneller.
„Durch das Zusammenspiel aus 3D-Architektur und künstlicher Grenzschicht können wir gleichzeitig das Dreifachproblem des Schnellladens bei Kälte und langer Reichweite lösen.“
Die Wissenschaftler arbeiten nun daran, ihre Entwicklung in ein serienreifes Herstellungsverfahren zu überfahren. In Zukunft sollen Elektroautos dadurch bei niedrigen Temperaturen deutlich schneller laden können und eine höhere Reichweite erzielen als aktuelle Modelle.
„Das Laden eines E-Auto-Akkus dauert 30 bis 40 Minuten – selbst mit Schnellladeverfahren. Im Winter kann sich das auf über eine Stunde verlängern. Genau dieses Problem wollen wir lösen.“
Joule, doi: 10.1016/j.joule.2025.101881
