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Li-Ion-Akkus / University of Warwick

Fünfmal schneller laden als bislang empfohlen

26. Februar 2018, 11:50 Uhr | Ralf Higgelke

Forscher der Warwick Manufacturing Group an der University of Warwick haben eine Methode entwickelt, um die Innentemperatur von Lithium-Ionen-Akkus in situ präzise zu messen.

Forscher der University of Warwick haben eine Methode entwickelt, um die Innentemperatur von Lithium-Ionen-Akkus in situ präzise zu messen. Dabei stellte sich heraus, dass sich die heutige Akkus bis zu fünfmal schneller als empfohlen sicher laden lassen.

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Überhitzt ein Akku, können schwere Schäden die Folge sein, insbesondere am Elektrolyten. Es kann sogar zu gefährlichen Situationen kommen, wenn der Elektrolyt zu Gasen zerfällt, die brennbar sind und einen erheblichen Druck aufbauen. Ein Überladen der Anode kann zu so viel metallischen Lithium-Ablagerungen (Lithium Plating) führen, dass sich Dendriten ausbilden und schließlich den Separator durchbohren, was zu einem internen Kurzschluss und anschließendem katastrophalen Versagen führt.

Um dies zu vermeiden, begrenzen die Hersteller den maximalen Ladestrom für ihre Akkus. Eine interne Temperaturmessung (und die Gewinnung von Daten über das Potenzial jeder Elektrode) im Akku selbst hat sich bislang als unmöglich oder unpraktisch erwiesen, ohne dessen Leistung erheblich zu mindern. Daher mussten sich die Hersteller auf eine externe Instrumentierung mit all ihren Einschränkungen verlassen. Diese Methode kann keine genauen Messwerte liefern, sodass die Hersteller sehr konservative Grenzwerte hinsichtlich maximaler Ladegeschwindigkeit festlegten, um sicherzustellen, dass die Batterie nicht beschädigt wird oder im schlimmsten Fall ein katastrophales Versagen erleidet. Dabei trafen sie Annahmen hinsichtlich maximal zulässiger Temperatur- und Potenzialwerte.

In-situ-Messung ohne Leistungsverlust

Forscher der Warwick Manufacturing Group (WMG) an der University of Warwick haben nun eine neue Reihe von Methoden entwickelt, um die Innentemperatur und den Zustand von Lithium-Ionen-Akkus verschiedener Formate und Bestimmungsgebräuche in situ zu messen. Diese Methoden beeinträchtigen die Akkuleistung nicht und wurden an handelsüblichen Autobatterien getestet. Die mit diesen Methoden gewonnenen Daten sind wesentlich präziser als die einer externen Abtastung. Dabei stellte die WMG fest, dass handelsübliche Lithium-Ionen-Akkus wie kommerzielle 18650-Zellen mindestens fünfmal schneller geladen werden können als derzeit empfohlen.

Die Technologie für diese direkte In-situ-Batteriesensorik verwendet miniaturisierte Referenzelektroden und Faser-Bragg-Gitter (FBG), die von einer maßgeschneiderte Dehnungsschutzschicht umgeben ist. Auf die Fasern wurde eine Außenhaut aus Fluorethylen-Propylen (FEP) aufgetragen, die sie vor dem korrosiven Elektrolyten chemisch schützen. Das Ergebnis ist ein Messsystem, das in direktem Kontakt mit allen wichtigen Teilen des Akkus steht und elektrischen, chemischen und mechanischen Belastungen während des Betriebs standhalten kann, während es gleichzeitig präzise Temperatur und Potenzial misst.

Dr. Tazdin Amietszajew, der diese Forschungen leitete, sagte: »Dies könnte enorme Vorteile für Bereiche wie den Motorsport mit sich bringen, die offensichtlich von der Möglichkeit profitieren würden, die Leistungsgrenzen zu überschreiten. Aber es schafft auch enorme Chancen für Verbraucher und Energiespeicheranbieter. Schnelleres Laden geht wie immer zulasten der Batterielebensdauer. Aber viele Verbraucher würden beispielsweise auf einer Reise die Fahrzeugbatterie gerne schneller geladen, und zu anderen Zeiten auf normale Ladezeiten umschalten.«

Weiter führt er aus: »Unsere Technologie ist so weit, dass sie auch auf kommerzielle Batterien anwendbar ist. Allerdings müssten wir dafür sorgen, dass die Batteriemanagementsysteme in den Autos und die Infrastruktur in der Lage sind, variable Ladezeiten zu ermöglichen, die diese neuen, präziseren Profile bzw. Grenzwerte beinhalten.«