Akku liefert Strom bei extremer Kälte
Bei eisigen Temperaturen schalten sich Smartphones gerne schon einmal ab. Und Elektroautos müssen viel früher wieder zur Ladestation, weil der Akku schlapp macht. Chinesische Wissenschaftler haben jetzt eine Batterie entwickelt, die auch bei minus 40 Grad Celsius noch fast 100 Prozent Kapazität hat. Herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus sinken dann auf bis zu 12 Prozent ab.
Mögen keine Kälte: Bei herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien sinkt die Kapazität bei extremen Minustemperaturen drastisch. Mit dem Elektroauto kommt man dann weniger weit.
Foto: panthermedia.net/Violin
Wenn die Temperaturen deutlich unter Null Grad Celsius sinken reduziert sich die Reichweite von Elektroautos dramatisch. Bei minus 20 Grad haben die Lithium-Ionen-Akkus, die den Strom liefern, nur noch die Hälfte ihrer Kapazität. Bei minus 40 Grad, die in arktischen und antarktischen Regionen nicht unüblich sind, bleiben nur noch zwölf Prozent übrig. Entsprechend schnell geht der Saft zu Ende, zumal die Heizung noch Strom frisst und das nicht zu knapp.
Der Grund für dieses Schwächeln: Der flüssige Elektrolyt, der sich zwischen Anode und Kathode befindet, friert ein und wird zu einem Festkörper. Dadurch wird der Austausch der Lithiumionen erschwert. Der Strom fließt gewissermaßen langsamer und schwächer.
Wie sich die Kälte überlisten lässt
Man könnte dem Elektrolyten ein Frostschutzmittel beimischen, das ihn auch bei extremer Kälte flüssig hält. Das geht zu Lasten der Kapazität der Batterie. Oder man wählt einen Elektrolyten, der über eine große Temperaturspanne flüssig bleibt. Bisher klappt das nur, wenn die gesamte Batterie in einen Stahlkasten gesteckt wird, in dem Überdruck erzeugt wird. Nicht sehr praktikabel, weil das Gesamtgewicht deutlich erhöht wird. Auch eine Batterieheizung hilft nicht wirklich, weil sie selbst Strom verbraucht.
Der Elektrolyt friert erst bei minus 83 Grad ein
Forscher um Yongyao Xia von der Fudan Universität in Schanghai haben einen Lithium-Ionen-Akku gebaut, der selbst bei minus 70 Grad noch 70 Prozent seiner ursprünglichen Kapazität besitzt. Bei Temperaturen, wie sie in Europa erreicht werden, geht der Kapazitätsverlust gegen Null. Die chinesischen Wissenschaftler setzen als Elektrolyten ein Gemisch aus einem Lithiumsalz und Ethylacetat ein. Dieses organische Lösungsmittel friert erst bei minus 83 Grad ein.
Die Elektroden (Anode und Kathode) bestehen aus leitfähigen Kunststoffen mit schier unaussprechlichen Bezeichnungen (Polytriphenylamine und Naphthalin-1,8:4,5-tetracarbonsaeuredianhydrid, angereichert mit einem Farbpigment). Anders als die Elektroden in normalen Lithium-Ionen-Elektroden lagern die aus Kunststoff keine Ionen ein, sodass das Laden und die Entladung schneller möglich sind.
Einsatz von Kunststoff
„Unsere wiederaufladbare Batterie profitiert von dem Elektrolyten auf Acetatbasis und den Kunststoffelektroden“, sagt Xia. „Aus diesem Grund arbeitet sie auch noch bei ultratiefen Temperaturen von minus 70 Grad Celsius.“ Das haben die Forscher in einer Kältekammer getestet. Ein weiterer Vorteil sei der Einsatz von Kunststoffen, die preiswert und im Überfluss vorhanden sind. Xia schätzt, dass die Elektroden um zwei Drittel billiger sind als die in normalen Lithium-Ionen-Akkus.
Nachteilig ist nur, dass die Kunststoffbatterien deutlich weniger Strom speichern als normale Lithium-Ionen-Akkus. Weitere Forschungsarbeiten und Verbesserungen der Produktionstechnik könnten die Energiedichte aber noch verbessern. Gut geeignet sind die kälteunempfindlichen Akkus, um beim Kaltstart von Geräten und Maschinen, den nötigen Strom zu liefern, bis die konventionellen Batterien genügend aufgeheizt sind. Xia: „Die neuen Akkus eignen sich damit besonders gut für moderne Hochleistungs-Start-Stopp-Prozesse.“
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