Wissenschaftlern ist es gelungen, die Ladegeschwindigkeit von Lithium-Ionen-Batterien bei Temperaturen bis zu -10°C deutlich zu verbessern. Ihre Methode, veröffentlicht in Joule, kombiniert eine strukturelle Modifikation der Batterie mit einer Anpassung der chemischen Reaktionen während des Ladevorgangs.
Kälte verdickt den flüssigen Elektrolyten in Batterien, reduziert den elektrischen Strom und verlängert die Ladezeiten. Bisherige Lösungen wie die Verdickung der Elektroden haben das Problem oft verschlimmert, indem sie die Schnellladefähigkeiten einschränkten.
Das Team schuf "Wege" in der Anode, indem es Löcher in die Graphitschichten mit einem Laser bohrte. Diese bereits 2020 getestete Technik beschleunigt die Bewegung der Lithium-Ionen, verursachte aber unter kalten Bedingungen Lithiumablagerungen.
Um diese Ablagerungen zu verhindern, applizierten die Forscher eine dünne Schicht aus Lithiumborat-Karbonat auf die Batterie. Dieses Material, bekannt für die Verbesserung der Effizienz von Festkörperbatterien, ermöglichte eine 500%ige Steigerung der Ladeeffizienz bei extremer Kälte.
Die modifizierten Batterien behielten 97% ihrer Kapazität nach 100 Schnellladezyklen unter eisigen Bedingungen. Neil Dasgupta betont, dass diese Modifikationen problemlos in bestehende Fertigungsanlagen integriert werden könnten.
Dieser Durchbruch ebnet den Weg für leistungsfähigere Elektrofahrzeuge im Winter, ohne größere Änderungen an den Produktionsprozessen zu erfordern. Die Auswirkungen könnten weitreichend sein, insbesondere in Regionen mit strengen Wintern.
Wie beeinflusst Kälte Lithium-Ionen-Batterien?
Niedrige Temperaturen verdicken den flüssigen Elektrolyten in Batterien, was die Bewegung der Lithium-Ionen zwischen den Elektroden verlangsamt. Dieses Phänomen reduziert den elektrischen Strom und erhöht die für das Laden benötigte Zeit.
Die Energieeffizienz sinkt ebenfalls, da chemische Reaktionen bei Kälte weniger effektiv ablaufen. Dies erklärt, warum Elektrofahrzeuge im Winter oft eine reduzierte Reichweite haben.
Hersteller haben verschiedene Lösungen versucht, wie die Erhöhung der Elektrodendicke, aber diese Ansätze verschlimmerten manchmal die Schnellladeprobleme. Die neue Studie bietet eine effektivere Methode, diese Grenzen zu umgehen.