Penn State / Selbsterhitzender Akku 480 km Reichweite in zehn Minuten

Forscher der Pennsylvania State University entwickelten einen schnellladefähigen Akku für alle Außentemperaturen, weil er sich vor dem Aufladen aufheizt.
Forscher der Pennsylvania State University entwickelten einen schnellladefähigen Akku für alle Außentemperaturen, weil er sich vor dem Aufladen aufheizt.

Bei Elektroautos fährt die Reichweitenangst immer mit. Doch damit soll bald Schluss sein. Schon nach zehn Minuten soll der Akku für fast 500 km nachgeladen sein. Möglich machen soll dies ein selbsterwärmender Akku, den Forscher der Penn State University entwickelt haben.

Auf die Tankstelle fahren und das Elektroauto anschließen. Dann auf die Toilette gehen, einen Kaffee trinken, und nach nur zehn Minuten mit vollem Akku wieder weiterfahren – so einfach soll es sein, geht es nach Forschern der Pennsylvania State University.

Was in Kalifornien bei nicht unter +10 °C völlig normal ist, ist in kälteren Regionen ein quasi unmögliches Unterfangen – die Schnellladung. Jetzt hat ein Team von Technikern der Penn State einen Akku entwickelt, die sich selbst erwärmt und sich somit unabhängig von der Außentemperatur schnell laden lässt. Ziel ist es, die Reichweitenangst weiter abzubauen und störungsfrei lange Strecken zurücklegen zu können.

Zuvor hatten die Forscher bereits einen Akku entwickelt, der sich selbst erwärmen kann, um einen Energieverlust unterhalb des Gefrierpunktes zu vermeiden. Das gleiche Prinzip lässt sich aber auch anwenden, um sogar bei bis zu –40 °C schnell zu laden.

Der selbsterhitzende Akku nutzt eine dünne Nickelfolie als Heizspirale. Ein Ende ist am Minuspol angebracht, das andere Ende außerhalb der Zelle als dritten Anschluss. Ein Temperatursensor, der an einem Schalter angebracht ist, sorgt dafür, dass Strom durch die Nickelfolie fließt, sobald die Umgebungstemperatur unter Raumtemperatur fällt. Die Nickelfolie erwärmt dann das Innere des Akkus. Sobald dessen Innentemperatur über der Raumtemperatur liegt, öffnet der Schalter und der Strom fließt in den Akku, um diesen schnell zu laden.

»Ein einzigartiges Merkmal unserer Zelle ist, dass sie zuerst heizt und dann automatisch auf Laden umschaltet«, erklärt Chao-Yang Wang, Inhaber des William E. Diefenderfer Lehrstuhl für Maschinenbau, Professor für Chemieingenieurwesen und Professor für Materialwissenschaft sowie Direktor des Zentrums für elektrochemische Systeme. »Außerdem müssen die bereits bestehenden Ladestationen nicht geändert werden. Die Steuerung von Heizung und Ladung erfolgt im Akku, nicht über das Ladegerät.«

Bei Tests konnten die Forscher nachweisen, dass ihr selbsterwärmender Akku nach 4500 Zyklen bei 15-minütiger Ladung bei ±0 °C nur 20 Prozent an Kapazität verloren hatte. Dies bedeutet eine Fahrleistung von etwa 450.000 km und eine Lebensdauer von 12,5 Jahren – länger als die meisten Garantieleistungen. Zum Vergleich: Ein herkömmlicher, nicht vorbeheizter Lithium-Ionen-Akku verliert unter gleichen Bedingungen diese 20 Prozent an Kapazität bereits nach nur 50 Ladezyklen.

Bei schneller Aufladung unter +10 °C verschleißen Lithium-Ionen-Akkus schnell, da sich die Lithiumionen nicht wie üblich in die Kohlenstoffanoden einlagert (Interkalation), sondern sich in metallischer Form auf der Anodenoberfläche ablagern (Lithium Plating). Dadurch sinkt die Kapazität der Akkuzelle und kann zu unsicheren Betriebszuständen führen. Gegenwärtig ist das langsame Laden die einzige Möglichkeit, dass sich Lithium bei Temperaturen unter +10 °C interkaliert.

An diesem Projekt arbeiteten auch Guangsheng Zhang, ehemaliger Postdoktorand für Maschinenbau, und Shanhai Ge, Assistenzprofessor für Maschinenbau, Penn State.