Elektromobilität Lithium-Ionen-Akkus besser ausnutzen

Forscher an der Universität von Kalifornien haben mathematische Algorithmen entwickelt, um Lithium-Ionen-Akkus leistungsfähiger zu machen. Ziel ist es, die damit verbundenen Kosten um 25 Prozent zu senken und die Batterien doppelt so schnell wie bislang aufzuladen – in nur 15 Minuten.

Forscher um Professor Miroslav Krstic und Postdoktorand Scott Moura von der Jacobs School of Engineering an der University of California in San Diego teilen sich zusammen mit dem Automobilzulieferer Bosch und dem Batteriehersteller Cobasys eine Beihilfe von 9,6 Mio. US-Dollar der ARPA-E, einer Forschungsagentur innerhalb des US-Energieministeriums, um ihre Schätzalgorithmen zum Lade- und Gesundheitszustand (state of health) von Lithium-Ionen-Akkus weiterzuentwickeln.

Krstic und Moura verwenden eine neuartige Methode, um Lithium-Ionen-Akkus effizienter zu gestalten. Statt Spannung und Strom zu überwachen, haben sie ausgeklügelte Algorithmen erarbeitet, die schätzen, was auf elektrochemischem Niveau tatsächlich in dem Lithium-Ionen-Akku vor sich geht.

Bis dato verlassen sich Akkuhersteller und -benutzer auf Spannung und Strom, um das Verhalten und die Gesundheit der Batterie zu überwachen. Dies ist aber sehr ungenau und führt zu überdimensionierten Akkus, die mehr wiegen als nötig und auch lange Zeit zum Laden benötigen. So hat beispielsweise Toyota kürzlich die Massenproduktion seines zweiten vollelektrischen Autos »eQ« abgeblasen, unter anderem weil der Ladevorgang zu lange dauert.

Lithium-Ionen-Batterien sind zylindrisch und aus drei Bögen zusammengerollt, sehr ähnlich einer Biskuitrolle. Wenn der Akku vollständig aufgeladen ist, werden die Lithium-Ionen in der Anode gespeichert. Die Batterie ist so ausgelegt, dass die Ionen von der Anode zur Kathode wandern und dadurch zum Beispiel den Antrieb mit Energie versorgen. Um zu wissen, ob der Akku ordnungsgemäß funktioniert, ist es wichtig zu wissen, wo genau die Ionen in die Anode sind. Aber das ist sehr schwer zu messen, selbst mit hoch entwickelten Geräten. Die Ionen werden üblicherweise tief in unregelmäßig geformten Teilchen innerhalb der Anode eingelagert.

Der Versuch, die Ladung lediglich durch Messung der Spannung an der Batterie abzuschätzen ähnele einem Kartenabreißer in einem Kino, der durch die Beobachtung der Geschwindigkeit der Warteschlange versucht abzuschätzen, welche Sitze in welcher Reihe die Stammgäste einnehmen, meint Moura. In dieser Analogie stellen die Ionen die Stammgäste dar, die Sitzreihen die Anodenpartikel.

Mithilfe der Algorithmen können die Forscher abschätzen, wo die Partikel sind, sodass der Akkus effizient und sicher gefüllt werden kann. Das Modell kann auch abschätzen, wie sich der Gesundheitszustand des Akkus im Laufe der Zeit entwickelt.

Die Beihilfe erlaubt es den Forschern, die Algorithmen zu verfeinern und sie auf tatsächlichen Akkus auf Prüfständen von Bosch und Cobasys zu testen. Sie wollen die Akkus bis an ihre Grenzen ausnutzen, ohne sie zu beschädigen.