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Fluorid-Ionen-Akku / Elektromobilität

1000 km fahren ohne Nachladen

24. August 2020, 14:30 Uhr   |  Ralf Higgelke

1000 km fahren ohne Nachladen
© Kyoto University

Forscher der Kyoto University und von Toyota Motor arbeiten an einem neuen Typ von wiederaufladbaren Batterien auf Fluoridbasis.

Ein Forscherteam der Kyoto University und von Toyota Motor hat nun einen Prototyp einer Fluorid-Ionen-Batterie aufgebaut. Mit ihr lässt sich bis zu siebenmal mehr Energie pro Gewichtseinheit unterbringen als bei modernen Lithium-Ionen-Batterien.

Reichweite ist einer der Knackpunkte bei der Elektromobilität. Zwar hat sich diese im Laufe der Jahre deutlich vergrößert, weil die Leistungsfähigkeit von Lithium-Ionen-Batterien stetig verbessert worden ist und die Rekuperation der Bremsenergie Einzug gehalten hat. Einige der neuesten Modelle von Tesla und Nissan Motor zum Beispiel können unter idealen Bedingungen bis zu 600 km pro Ladung zurücklegen. Experten meinen jedoch, dass es eine theoretische Grenze für die Energiedichte von Li-Ionen-Batterien gibt. Folglich lässt sich ihre Reichweite nicht viel weiter steigern.

Mit der neuen Fluorid-Ionen-Batterie (FIB), an der die Forscher der Kyoto University und von Toyota Motor arbeiten, könnten Elektroautos mit einer einzigen Ladung 1000 km weit fahren. Bei dem unter der Leitung von Prof. Yoshiharu Uchimoto entwickelten Prototyp kommen eine Anode aus Fluor, Kupfer und Kobalt sowie eine Kathode, die hauptsächlich aus Lanthan besteht, zum Einsatz. Wie die Forscher bestätigten, weist dieser Prototyp eine höhere theoretische Energiedichte auf, wodurch er eine bis zu siebenmal größere Reichweite als die heutigen Li-Ionen-Batterien haben könnte.

Die Forscher haben sich für einen Festelektrolyten anstelle der in Li-Ionen-Batterien üblicherweise verwendeten flüssigen Elektrolyte entschieden. Ein wesentlicher Vorteil solcher Festkörperbatterien besteht darin, dass sie nicht in Brand geraten können. Infolgedessen müssen die Ingenieure keine Systeme entwickeln, die eine Überhitzung verhindern.

Herausforderungen mit der Temperatur

Doch auf dem Weg zu einer Fluorid-Ionen-Batterie gilt es auch, Herausforderungen zu meistern. Die größte besteht darin, dass Fluorid-Ionen-Batterien bisher nur bei hohen Temperaturen funktionieren. Bekanntlich leitet Fluorid elektrischen Strom nur dann brauchbar, wenn der feste Elektrolyt ausreichend erwärmt ist. Dies macht Fluorid-Ionen-Batterien für viele Konsumgüteranwendungen unbrauchbar.

Die erforderlichen hohen Temperaturen führen auch dazu, dass sich die Elektroden ausdehnen. Das Team der Kyoto University und von Toyota glaubt, einen Weg gefunden zu haben, um genau das zu verhindern. Zu diesem Zweck bestehen die Elektroden aus einer Legierung aus Kobalt, Nickel und Kupfer. Das Team plant, die in der Anode verwendeten Materialien zu optimieren, um sicherzustellen, dass die Batterie ohne Kapazitätsverlust geladen und entladen werden kann.

Im Jahr 2018 gelang es Wissenschaftlern des Honda Research Institute gemeinsam mit Forschern des California Institute of Technology (Caltech) und des NASA Jet Propulsion Laboratory, einen wichtigen Meilenstein mit der FIB-Technologie zu erreichen: Akkuzellen bei Raumtemperatur zu betreiben, anstatt sie auf hohe Temperaturen erhitzen zu müssen.

Trotz wachsender Hoffnungen auf Fluorid-Ionen-Batterie werden diese noch eine Weile nicht auf den Markt kommen. Experten rechnen damit, dass es irgendwann in den 2030-er Jahren sein wird, bis FIBs kommerziell verfügbar sind. Zum Vergleich: Ein Prototyp einer Li-Ionen-Batterie zwar bereits 1985 entwickelt, aber erst 1991 kamen sie auf den Markt.

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