Experimentelle Batterie: Laden Elektroautos bald in 10 Minuten?

Die weiterhin vergleichsweise langen Ladezeiten sind nach wie vor ein Argument, dass Menschen den Wechsel in die Elektromobilität schwerer macht – auch wenn das aufgrund des Nutzungsverhaltens für die meisten Menschen eher ein subjektives als ein objektiv nachvollziehbares Problem ist. Forscher der Harvard University haben ein experimentelles Batteriedesign entwickelt, mit dem Elektroautos in weniger als 10 Minuten geladen sein könnte. Das würde die Bedenken vieler Menschen sicher ein wenig besänftigen.

Lithiummetall-Batterie als heiliger Gral

Die alternative Batteriearchitektur bietet nach Angaben der Forscher nicht nur schnelle Aufladung, sondern auch eine deutlich längere Lebensdauer als bei herkömmlichen Architekturen. Dabei kommt hochleistungsfähiges Lithiummetall sowie ein Feststoff-Elektrolyt zum Einsatz. So soll über mehrere Tausend Zyklen Stabilität gewährleistet werden.

Der Ansatz, das in heutigen Lithium-Ionen-Batterien für die Anode verwendete Graphit oder Kupfer gegen Lithiummetall auszutauschen wird von mehreren Forschern verfolgt. Die Anode tauscht in herkömmlichen Batterien über ein flüssiges Elektrolyt mit der Anode Ionen aus während die Batterie auf- und entlädt. Die gute Kapazitätseigenschaften sowie die Dichte machen Lithiummetall zu einem guten Material für diesen Zweck.

„A lithium-metal battery is considered the holy grail for battery chemistry because of its high capacity and energy density. But the stability of these batteries has always been poor„, so Xin L von Harvards John A. Paulson School of Engineering and Applied Science.

Sandwich-Design stabilisiert die Batterie

Hinter der mangelnden Stabilität solcher Batterien stecken kleine, nadelartige Gebilde namens Dendriten, die sich auf der Oberfläche der Lithiummetall-Anode bilden und dann auch im flüssigen Elektrolyt auftauchen. Dadurch wird die Performance der Batterie stark beeinträchtigt. Nicht selten kommt es auch zu Kurzschlüssen oder Bränden.

Indem stattdessen ein Feststoff-Elektrolyt verwendet wird, kann dieses Problem vermieden werden. Dies geschieht auch in mehreren, vielversprechenden Ansätzen – unter anderem eben dem der Forscher der Harvard-University. Ihr Batteriedesign erinnert dabei ein wenig an ein Sandwich.

Dabei kommen zwei Elektrolyte zum Einsatz: Eines, das empfindlich gegenüber Dendriten ist, aber stabil mit Lithium, sowie eines, das quasi immun gegen Dendriten ist, dafür aber weniger stabil mit Lithium. Die Batterie verhindert die Bildung von Dendriten also nicht, sondern kommt besser mit ihnen klar. Das gegen die kleinen Vorsprünge immune Elektrolyt schützt sozusagen das zweite Elektrolyt.

„Our strategy of incorporating instability in order to stabilize the battery feels counterintuitive but just like an anchor can guide and control a screw going into a wall, so too can our multilayer design guide and control the growth of dendrites„, so Luihan Ye, ein Koautor der Studie.

Selbstheilung und lange Lebensdauer

Zusätzlich zu den beschriebenen Eigenschaften kann die Batterie sich außerdem selber heilen, indem die durch die Dendriten verursachten Lücken wieder aufgefüllt werden. In Tests konnte das Team zeigen, dass die Batterie über 10.000 Zyklen 82 Prozent ihrer Kapazität behielt – ein beeindruckendes Ergebnis. Außerdem konnten die Forscher zeigen, dass die Batterie leistungsfähig genug ist, um das 10-minütige Laden von Elektroautos zu ermöglichen.

„This proof-of-concept design shows that lithium-metal solid-state batteries could be competitive with commercial lithium-ion batteries. And the flexibility and versatility of our multilayer design makes it potentially compatible with mass production procedures in the battery industry. Scaling it up to the commercial battery won’t be easy and there are still some practical challenges, but we believe they will be overcome„, so Li über das Konzept.

via Harvard University