01.11.2019 - The Pennsylvania State University

Elektrofahrzeuge in 10 Minuten aufladen

Selbsterhitzende Batterie soll das Problem der Reichweitenangst verringern

Elektrofahrzeughalter können bald in der Lage sein, in eine Tankstelle zu fahren, ihr Auto anzuschließen, auf die Toilette zu gehen, eine Tasse Kaffee zu trinken und in 10 Minuten mit einer voll geladenen Batterie loszufahren, so ein Team von Ingenieuren.

"Wir haben gezeigt, dass wir ein Elektrofahrzeug in zehn Minuten für einen Bereich von 200 bis 300 Meilen aufladen können", sagte Chao-Yang Wang, William E. Diefenderfer Chair of Mechanical Engineering, Professor für Chemieingenieurwesen und Professor für Materialwissenschaft und Ingenieurwesen sowie Direktor des Electrochemical Engine Center am Penn State. "Und wir können dies mit 2.500 Ladezyklen, was einer halben Million Meilen Reise entspricht."

Lithium-Ionen-Batterien verschlechtern sich beim schnellen Aufladen bei Umgebungstemperaturen unter 50 Grad Fahrenheit, da sich das Lithium nicht wie die Lithium-Ionen reibungslos in die Kohlenstoffanoden einfügt, sondern in Spitzen auf der Anodenoberfläche abscheidet. Diese Lithiumbeschichtung reduziert die Zellkapazität, kann aber auch elektrische Spitzen und unsichere Akkubedingungen verursachen.

Batterien, die oberhalb des Schwellenwerts für die Lithiumbeschichtung erwärmt werden, sei es durch externe oder interne Erwärmung, weisen keine Lithiumbeschichtung auf.

Die Forscher hatten ihren Akku zuvor so entwickelt, dass er in 15 Minuten bei 50 Grad F aufgeladen werden konnte. Das Laden bei höheren Temperaturen wäre effizienter, aber lange Zeiträume mit hoher Hitze beeinträchtigen auch die Akkus.

"Das schnelle Aufladen ist der Schlüssel zur breit angelegten Einführung von Elektrofahrzeugen", sagt Wang.

Wang und sein Team erkannten, dass, wenn die Batterien nur 10 Minuten lang auf 140 Grad F erwärmt und dann schnell auf Umgebungstemperaturen abkühlen könnten, sich keine Lithiumspitzen bilden würden und auch kein Wärmeschaden der Batterie auftritt. Sie berichten über ihre Ergebnisse in Joule (30. Oktober).

"Es ist verboten, diesen Akku bis auf 60 Grad Celsius zu bringen", sagt Wang. "Es ist zu hoch und gilt als Gefahr für die Materialien und würde die Lebensdauer der Batterie drastisch verkürzen."

Die schnelle Abkühlung der Batterie würde mit dem im Auto entwickelten Kühlsystem erfolgen, erklärte Wang. Der große Unterschied von 140 Grad zu etwa 75 Grad F wird auch dazu beitragen, die Abkühlgeschwindigkeit zu erhöhen.

"Der 10-Minuten-Trend ist für die Zukunft und ist für den Einsatz von Elektrofahrzeugen unerlässlich, da er das Problem der Reichweitenangst löst", sagt Wang.

Zur Verringerung der Reichweitenangst - Angst vor dem Abnehmen der Energie ohne Möglichkeit oder Zeit zum Aufladen - wird, so Reuters, die Einrichtung von 2.800 Ladestationen in den USA sein, finanziert durch die mehr als 2 Milliarden Dollar Strafe, die Volkswagen nach dem Einverständnis zu Diesel-Emissionsbetrug bezahlt. Diese Ladestationen werden an 500 Standorten aufgestellt.

Die selbsterhitzende Batterie verwendet eine dünne Nickelfolie, wobei ein Ende am Minuspol befestigt ist und das andere außerhalb der Zelle verläuft, um einen dritten Anschluss zu schaffen. Ein Temperatursensor, der an einem Schalter angebracht ist, bewirkt, dass Elektronen durch die Nickelfolie fließen, um den Schaltkreis zu vervollständigen. Dadurch wird die Nickelfolie durch Widerstandserwärmung schnell erwärmt und das Innere der Batterie erwärmt.

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