Stellen Sie sich vor, Sie könnten Ihr Elektroauto laden, während Sie Kaffee trinken
Chunsheng Wang entwickelt eine neue Batteriechemie, um die Ladezeiten zu verkürzen
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Der Unterschied ist kaum zu übersehen: Ein Autotank lässt sich in wenigen Minuten füllen. Das Aufladen der Batterie eines Elektrofahrzeugs (EV) kann hingegen 30 Minuten oder länger dauern. Chunsheng Wang, renommierter Universitätsprofessor für Chemie- und Biomolekulartechnik an der University of Maryland, und sein Team arbeiten daran, diese Zeit zu verkürzen – ein entscheidender Schritt auf dem Weg weg von der Dominanz fossil betriebener Fahrzeuge hin zu saubereren, effizienteren Elektrofahrzeugen. „Wenn man mit dem Benzinmotor konkurrieren will, muss die Ladezeit der Batterie ähnlich sein“, sagt Wang.
Das US-Energieministerium (DOE) fordert die Entwicklung von EV-Batterien, die sich in weniger als 15 Minuten zu 80 % aufladen lassen. Wang und Chang-Xin Zhao, ein Forscher in seinem Labor, arbeiten daran, dieses Ziel zu übertreffen, indem sie die Ladezeit auf nur 10 Minuten verkürzen – was sie als „Kaffeepause“ bezeichnen.
„Bis man seinen Kaffee ausgetrunken hat, ist das Fahrzeug aufgeladen“, sagt Zhao. „Das wollen wir erreichen.“
Das versteckte Hindernis beim Schnellladen
Bisherige Bemühungen, das Laden zu beschleunigen, konzentrierten sich auf eine Veränderung der Struktur der Batterieelektroden, was jedoch unbeabsichtigt die Energiespeicherkapazität der Batterie verringert – ein problematischer Kompromiss.
Wangs Gruppe entwickelt Wege, diesen Kompromiss zu umgehen, indem sie sich auf die Chemie der Batterien konzentriert. In einer in der Fachzeitschrift „Science“ beschriebenen Studie identifizierte sein Team unter der Leitung von Zhao eine Einschränkung, die im Elektrolyten lauert – jenem Medium, durch das Lithium-Ionen wandern, wenn eine Batterie entladen oder geladen wird. Während des Ladevorgangs wandern die Ionen vom Pluspol der Batterie zum Minuspol. Doch sie legen diesen Weg nicht allein zurück: Jedes Ion nimmt mehrere Moleküle aus einem entscheidenden Bestandteil des Elektrolyten – seinem Lösungsmittel – auf und zieht sie mit sich.
Verläuft der Ladevorgang langsam, fließt das Lösungsmittel zurück in das poröse Material des Pluspols und füllt es wieder auf. Beim Schnellladen kann das Lösungsmittel jedoch nicht mithalten: Die Elektrode trocknet aus, und der Ladevorgang verlangsamt sich deutlich. Chemiker kannten dieses Phänomen – den sogenannten elektroosmotischen Widerstand – bereits aus Brennstoffzellen, doch sein Auftreten in Lithium-Ionen-Batterien war bis zu dieser von der University of Maryland geleiteten Studie übersehen worden.
Neugestaltung des Elektrolyten
Das Team stellte fest, dass es das Risiko des Austrocknens der Elektroden durch eine Neugestaltung der Elektrolyte verringern konnte.
Durch die Einbindung fluorhaltiger chemischer Gruppen in die Lösungsmittelmoleküle der Elektrolyte verringerten die Forscher die Anziehungskraft zwischen dem Lösungsmittel und den Lithium-Ionen und sorgten dafür, dass das Lösungsmittel leichter in den Pluspol zurückfließen konnte. Diese neue chemische Zusammensetzung verringert die Wahrscheinlichkeit eines Austrocknens der Elektroden drastisch, selbst bei hohen Ladegeschwindigkeiten.
Sie testeten den modifizierten Elektrolyten, indem sie eine kleine Batterie namens „4-Amperestunden-Pouch-Zelle“ bauten. Zwar ist es schwierig, eine 100-prozentige Ladung zu erreichen, ohne andere Aspekte der Batterieleistung zu beeinträchtigen, doch lagen die Ergebnisse im Rahmen der Ziele des DOE:
- 80 % Ladung in 12,8 Minuten
- 90 % Ladung in 14,7 Minuten
Ein neuer Maßstab
Wang strebt an, die Ladezeiten noch weiter auf 10 Minuten zu verkürzen, indem er das fluorierte Lösungsmittel mit einer zweiten chemiebasierten Strategie kombiniert: einem adaptiven Elektrolyten, den sein Team entwickelt hat. Diese Substanz trennt sich von selbst ab, um beide Pole vor den Belastungen durch das Schnellladen zu schützen.
Die Verkürzung der Wartezeiten ist nur ein Teil des Ziels. Sein Team arbeitet außerdem daran, die Lebensdauer der Batterien im Ruhezustand sowie den Temperaturbereich, in dem sie betrieben werden können, zu erweitern.
„Wir wollen eine Batterie entwickeln, die alle Anforderungen erfüllt, ohne Abstriche zu machen“, sagt Wang. „Das ist unser Ziel.“
Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.
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