Neue Batterie soll 60 mal schneller laden
Zuletzt aktualisiert am 1. Februar 2023 von Lars Weidmann
Das schnelle Aufladen von Batterien ist eine der größten Herausforderungen, denen sich Elektroautos heute stellen müssen. Aufgrund des begrenzten Zugangs zu Straßen sind viele der derzeitigen Schnellladelösungen auf städtische Gebiete beschränkt. Neue Forschungsergebnisse der Michigan State University könnten dies jedoch mit einer einfachen chemischen Veränderung ändern. In einem kürzlich in der Zeitschrift Advanced Materials veröffentlichten Artikel beschreiben Forscher des College of Chemistry and Molecular Science der Michigan State University, wie sich Lithium-Ionen- und Aluminium-Ionen-Batterien bis zu zehnmal schneller aufladen lassen als ihre Lithium-Ionen-Gegenstücke. Lithium-Ionen-Batterien werden schon seit Jahren in Elektroautos eingesetzt, aber erst vor kurzem haben sie einen Punkt erreicht, an dem wir sie durch billigere Alternativen ersetzen können. Aluminium-Ionen sind weitaus häufiger vorhanden als Lithium, so dass sie billiger in der Herstellung sind und auch keine seltenen Materialien benötigen, um mit ihnen zu arbeiten. Das bedeutet, dass Unternehmen wie Johnson Controls bereits in der Lage sind, Lithium-Aluminium-Hybridbatterien herzustellen, die eine bessere Leistung als ihr ursprüngliches Gegenstück bieten, während die Kosten immer noch äußerst erschwinglich sind. Dieselbe Technik könnte auf jede beliebige Batterie angewandt werden, die von jedem Unternehmen hergestellt wird, das Zugang zu den erforderlichen Rohstoffen und zum Fertigungs-Know-how hat.
Was ist ein Schnelllade-Akku?
Eine Batterie ist ein Gerät, das Strom erzeugt, um elektronische Geräte wie Smartphones und Computer zu betreiben. Batterien bestehen aus zwei grundlegenden Komponenten: einer positiven und einer negativen Elektrode. Diese Elektroden bestehen aus unterschiedlichen Materialien, wobei die positive Elektrode aus einem sauren Elektrolyt und die negative Elektrode aus einem alkalischen Elektrolyt besteht. Beim Laden erzeugen die beiden Komponenten der Batterie – die positive und die negative Elektrode – Strom, der in der Batterie gespeichert wird. Wenn ein Gerät wie ein Smartphone Strom benötigt, nimmt die Batterie diesen Strom auf und leitet ihn an das Gerät weiter. Eine Schnellladebatterie ist eine Batterie, die viel schneller aufgeladen werden kann als eine normale Batterie. Die Frage ist natürlich, wie schnell ein Akku geladen werden kann, ohne ihn zu zerstören.
Wie Schnellladung bei Aluminium-Ionen-Akkus funktioniert
Die Forscher von der Michigan State University nutzten ein Verfahren namens elektrochemische Reduktion, bei dem Natriumionen reduziert werden, um Strom zu erzeugen. Bei diesem Prozess reagieren die Aluminiumionen aus dem Elektrolyt der Batterie mit den Natriumionen und werden reduziert, wobei Natriumhydroxid und Wärme entstehen. Die Aluminiumionen werden wieder aufgefüllt, indem dem Natriumhydroxid Wasser zugesetzt wird, das in einer Elektrolytlösung außerhalb der Batterie gesammelt wird. Während dieses Prozesses werden die Aluminiumionen aus dem Elektrolyt der Batterie wieder aufgefüllt, wodurch die Kapazität der Batterie erhöht wird. Die Forscher testeten sowohl Lithium- als auch Aluminium-Ionen-Batterien und stellten fest, dass die Ladekapazität beider Batterien bei schnellerer Aufladung drastisch anstieg. Die Lithium-Ionen-Batterien wurden in nur 10 Minuten auf 80 Prozent ihrer Kapazität aufgeladen, während die Aluminium-Ionen-Batterien in nur fünf Minuten ebenfalls 80 Prozent ihrer Kapazität erreichten.
Der Schlüssel zum schnellen Aufladen von Aluminium-Ionen-Batterien
Aluminium-Ionen-Batterien haben einen entscheidenden Vorteil gegenüber Lithium-Ionen-Batterien in einem schnellen Ladezustand – sie sind weit weniger empfindlich gegenüber hohen Temperaturen. Die Forscher testeten Temperaturen von bis zu 85 Grad Celsius, stellten aber fest, dass das Laden von Aluminium-Ionen-Batterien bei diesen Temperaturen fast keinen Einfluss auf die Kapazität der Batterie hat. Die Forscher fanden auch heraus, dass der Ladevorgang nicht von der Umgebungstemperatur beeinflusst wird, was ein wichtiger Faktor beim Laden von Elektroautos ist.
Das schnelle Aufladen von Lithium-Ionen-Batterien ist nicht so einfach.
Aber auch das Aufladen von Lithium-Ionen-Batterien mit hohen Spannungen ändert nichts an der Tatsache, dass die Technologie nicht kommerziell verfügbar ist. Daher haben die Forscher der Michigan State University beschlossen, sich auf Aluminium-Ionen-Batterien zu konzentrieren. Das schnelle Aufladen von Lithium-Ionen-Batterien ist nicht so einfach. Die derzeit schnellste Ladetechnik verwendet eine Hochspannungstechnik, um die Spannung von Lithium-Ionen-Batterien zu erhöhen. Diese Technik ist gefährlich und kann die Umwelt belasten. Aluminium-Ionen-Batterien haben dieses Problem nicht, d. h. selbst wenn Lithium-Ionen-Batterien eine ähnliche Kapazität von 100 % erreichen wie ihre Aluminium-Ionen-Pendants, müssen sie immer noch aufgeladen werden.
Aber es ist auch nicht unmöglich.
Die Forscher der Michigan State University sind optimistisch, was die Zukunft von Schnellladebatterien angeht. Sie glauben, dass die Technologie in den nächsten Jahren auf den Markt gebracht werden könnte, was eine breite Einführung von Schnellladetechnologien ermöglichen würde. Da die Kosten für die Herstellung von Aluminium sinken, werden immer mehr Hersteller die Möglichkeit haben, diese Technologie zur Verbesserung ihrer Batterien zu nutzen. Eine Batterie, die in fünf Jahren hergestellt wird, könnte beispielsweise nach nur fünf Minuten Ladezeit 80 Prozent ihrer Kapazität erreichen. Dies könnte zu dramatischen Veränderungen in der Automobilbranche führen.
Letzte Worte
Wie wir sehen, befindet sich die Welt der Batterien in einem ständigen Wandel. Jedes Jahr kommen neue Technologien auf den Markt, die Verbesserungen für bestehende Batterietypen bieten. Den Forschern der Michigan State University ist es jedoch gelungen, die wichtigsten chemischen Komponenten einer Aluminiumbatterie zu verändern, um die Kapazität drastisch zu erhöhen, ohne das grundlegende Design der Batterie zu verändern. Dies bedeutet, dass derzeit bestehende Lithium-Ionen-Batterien problemlos aufgerüstet werden können, während dies für Lithium-Aluminium-Hybridbatterien nicht möglich ist. Die Ergebnisse der Studie haben nicht nur Auswirkungen auf die Elektroautoindustrie, sondern auf jedes Gerät, das eine Batterie verwendet.
