Elektromobilität / Penn State University Hochenergie-Li-Ionen-Batterie hält 1,6 Millionen Kilometer

Darstellung einer neuen Lithium-Ionen-Batterie, die sowohl sicher als auch leistungsfähig ist und von Forschern der Penn State entwickelt wurde.
Darstellung einer neuen Lithium-Ionen-Batterie, die sowohl sicher als auch leistungsfähig ist, wie sie Forscher der Penn State University entwickelt haben.

Bei Elektrofahrzeugen müssen die Batterieentwickler zwischen Sicherheit und Energiedichte abwägen, denn beides zugleich geht nicht. Ein Team der Penn State University hat nun eine Lithium-Ionen-Batterie entwickelt, die sowohl sicher ist als auch eine hohe Leistung hat und bis zu 1,6 Mio. km hält.

Verfügt eine Fahrzeugbatterie über eine hohe Energie- und Leistungsdichte, wie sie bei Fahrten bergauf oder beim Auffahren auf die Autobahn erforderlich ist, kann die Batterie unter ungünstigen Bedingungen Feuer fangen oder sogar explodieren. Materialien mit niedriger Energie- und Leistungsdichte und damit hoher Sicherheit verfügen jedoch in der Regel über eine schlechte Performance. Es ist kein Material bekannt, das beide Anforderungen abdeckt. Aus diesem Grund entscheiden sich die Batterieentwickler für Leistung statt für Sicherheit.

»Bei dieser Studie verfolgten wir einen völlig anderen Ansatz verfolgen«, erklärte Chao-Yang Wang, Professor für Mechanik, Chemie und Materialwissenschaften und Ingenieurwesen, sowie William E. Diefenderfer Chair für Maschinenbau an der Penn State University. »Wir untergliederten die Arbeit in zwei Schritte. Zunächst wollten wir eine hochstabile Batterie aus hochstabilen Materialien bauen«, ergänzte er. Im zweiten Schritt führten die Forscher eine Schnellheizung ein.

Vor etwa vier Jahren entwickelte Wang eine selbstheizende Batterie, um das Problem der schlechten Performance in kalten Klimazonen zu überwinden. Mithilfe von elektrischem Strom erwärmt sich die Batterie in Sekunden auf etwa +60 °C. Dadurch steigt die Leistungsfähigkeit der Batterie augenblicklich an, denn die Kinetik besagt, dass die Reaktionsfähigkeit mit der Temperatur exponentiell zunimmt. »Durch diese beiden Schritte erreichen wir eine hohe Sicherheit, wenn die Batterie nicht gebraucht wird, und eine hohe Leistungsfähigkeit bei Belastung«, erklärte Wang.

Die selbstheizende Batterie, die so genannte »All Climate Battery«, wurde von mehreren Autoherstellern, darunter BMW, aufgegriffen und für den Antrieb einer Flotte von 10.000 Fahrzeugen ausgewählt, die bei den nächsten Olympischen Winterspielen in Peking die Menschen zwischen den Austragungsorten befördern sollen.

Das Battery and Energy Storage Technology Center der Penn State University untersuchte die Betriebssicherheit der Batterie mithilfe des Nageleindringtests. Sie treiben einen Nagel in die Zelle und verursachen einen Kurzschluss. Dann überwachen die Mitarbeiter, wie sich die Zelle in Bezug auf Temperatur und Spannung verhält. Die Temperatur stieg dabei nur um 100 K an; in einer Standardbatteriezelle steigt die Temperatur um 1000 K an. Dies ist eine enorme Verbesserung.

Da ihre Batterien aus stabilen Materialien gefertigt sind, haben sie auch eine lange Lebensdauer. Selbst bei +60 °C liegt ihre Zyklenzahl bei über 4000, was über eine Million Meilen oder 1,6 Mio. Kilometer entspricht.

Das nächste Projekt des Teams wird die Entwicklung einer Festkörperbatterie sein, die wohl auch beheizt werden muss.

Originalpublikation

Shanhai Ge, et al., A new approach to both safety and high performance of lithium-ion batteries, Science Advances, 28 Feb 2020, Vol. 6, no. 9, eaay7633 DOI: 10.1126/sciadv.aay7633