E-Autos: Schnelles Laden senkt Akku-Kapazität vorzeitig

Fast Charging, also das schnelle Aufladen von Akkus, beispielsweise an Ladestationen für E-Autos, wirkt sich negativ auf die Batterien aus, sagt David Wragg vom Zentrum für Materialwissenschaften und Nanotechnologie der Universität Oslo.

Je öfter eine Lithium-Ionen-Batterie schnell aufgeladen werde, desto schneller verliere sie auch an Kapazität. Folglich sinke die Reichweite voller Akkus teils dramatisch.

Gehetzte Ionen

Den Grund für dieses Phänomen sieht der Experte darin, dass sich Lithium-Ionen bei ihrer Wanderung zwischen Anode und Kathode teilweise in Lithium-Metall verwandeln, das nicht mehr zur Speicherfähigkeit der Batterie beiträgt. Je schneller geladen wird, desto schneller werden die Ionen durch den Speicher gehetzt, was die Rückführung zu metallischem Lithium begünstigt, so Wragg.

“Wenn man mit doppelter Geschwindigkeit lädt, muss man die gleiche Menge an Ionen und Elektronen in der Hälfte der Zeit bewegen. Wenn man vier- oder sechsmal so schnell lädt, sind die negativen Folgen natürlich noch größer”, beschreibt Wragg das Problem. Die Anoden, die beim Laden Ionen aufnehmen, bestehen aus Graphit, das aus dünnen Kohlenstoffschichten besteht. Die Anode besteht aus mehreren Millionen solcher Schichten. Beim Laden der Batterie werden die Lithium-Ionen in das Graphit gedrückt. Ist der Ladestrom hoch, müssen die Ionen also schneller als üblich einen Platz finden, was laut dem Experten zu Engpässen führt.

Röntgen-Scans

“Wenn die Ionen, die sich bereits zwischen den Schichten befinden, nicht tiefer in den Stapel eindringen können, gibt es keinen Platz für neue Ionen”, unterstreicht der Wissenschaftler. Sie kumulierten an der Oberfläche. Genau dort würden die geladenen Ionen zu neutralen Atomen und bildeten winzige Metallklumpen. Diese Umwandlung war bereits seit einiger Zeit vermutet worden, bewiesen war der Vorgang nicht. Mit einem Röntgen-Scanner machte Wragg mit seinem Team den Vorgang jetzt sichtbar.

Die Forscher haben eine Batterie während des Ladevorgangs alle 25 Millisekunden lang durchleuchtet. Auf den Bildern konnten die Experten dann den Aufbau der Metallionen beobachten, der umso schneller voranschritt, je größer der Ladestrom war. Wragg glaubt aber nicht, dass mit seiner Entdeckung das Ende des Schnellladens gekommen ist. “Wir müssen bessere Anoden bauen”, sagt er. Möglicherweise funktioniere es optimaler mit Graphen oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen, also aufgewickeltem Graphen.

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