Neue kältebeständige Batterien könnten die Reichweite von Elektrofahrzeugen in strengen Wintern erhöhen

Lithium-Ionen-Akkus sind dank ihrer hohen Energiedichte und Langlebigkeit eine fantastische Erfindung, die die Revolution der Mobiltechnologie ermöglicht, auf die wir uns alle verlassen – aber das bei Raumtemperatur. Wenn es buchstäblich eiskalt ist, müssen Handys, die zu lange der Kälte ausgesetzt sind, häufiger aufgeladen werden und vor allem die Reichweite von Elektroautos wird empfindlich beeinträchtigt.

Die Menschen haben dies miterlebt, so viele Menschen, die im Mittleren Westen der USA oder im Norden Kanadas leben, haben sich gegen den Kauf eines Elektrofahrzeugs entschieden. Ungeachtet aller anderen Umstände würden diese Käufer auf Elektro umsteigen – und damit zur Dekarbonisierung des Transportsektors beitragen, die wir so dringend brauchen – wenn ihre Reichweite der im wärmeren Süden oder Kalifornien entspricht, wo die Winter nicht annähernd so hart sind.

Ihre Wünsche könnten in nicht allzu ferner Zukunft in Erfüllung gehen. Neue Forschungsergebnisse der Beijing Jiaotong University in China und der Chinesischen Akademie der Wissenschaften demonstrierten ein neuartiges Lithium-Ionen-Batteriedesign, bei dem die typischerweise flache Graphitanode durch ein anderes unebenes Material auf Kohlenstoffbasis ersetzt wurde. Diese entscheidende Modifikation ermöglichte es der Batterie, den größten Teil ihrer wiederaufladbaren Speicherkapazität bis zu -35 Grad Celsius (-31 Grad Fahrenheit) aufrechtzuerhalten.

Einer der Hauptgründe, warum herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien bei extremer Kälte ausfallen, ist der flachen Ausrichtung der Graphitanode geschuldet. Forscher unter der Leitung von Xi Wang von der Beijing Jiaotong University gestalteten die Geometrie der Kohlenstoffanode so um, dass sie eine „Riemannsche Oberfläche“ aufweist, was deutlicher bedeutet, dass ihre Oberfläche uneben und eher unregelmäßig als flach ist.

Die Anode besteht aus 12-seitigen Kohlenstoff-Nanokugeln, die während eines Experiments, in dem sie in eine münzgroße Batterie eingebaut wurde, hervorragende elektrische Ladungsübertragungseigenschaften zeigten, wobei Lithiummetall als Kathode verwendet wurde.

Die Anode blieb während des Ladens und Entladens bei Temperaturen zwischen 25 Grad Celsius (77 Grad Fahrenheit) und -20 Grad Celsius (-4 Grad Fahrenheit) stabil und behielt 85 % ihrer Energiespeicherkapazität bei Raumtemperatur knapp unter dem Gefrierpunkt. Im Vergleich dazu hielten normale Batterien, die flaches Graphit oder sogar Kohlenstoffnanoröhren als Anode verwenden, bei Gefriertemperaturen fast keine elektrische Ladung. Selbst bei -35 Grad Celsius (-31 Grad Fahrenheit) war die Bump-Anode noch wiederaufladbar und konnte unter normalen Bedingungen fast 100 % der zuvor gespeicherten Ladung in die Batterie entladen.

Eine von AAA durchgeführte Studie fanden heraus, dass das Einschalten der Heizung eines Autos während der Fahrt durch kalte Temperaturen die Reichweite von Elektrofahrzeugen um bis zu 40 % verringert. Herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien verlieren auch ohne eingeschaltete Heizung an Reichweite aufgrund der zuvor beschriebenen Auswirkungen auf ihre Lade- und Entladeeigenschaften bei kaltem Wetter – obwohl zu beachten ist, dass alle Autos, ob sie mit Gas oder Strom fahren, mit der Kälte zu kämpfen haben .

Die in dieser neuen Studie festgestellten Unterschiede sind enorm und hoffentlich könnte das neue Anodendesign den von der Kälte am stärksten betroffenen geografischen EV-Märkten neues Leben einhauchen. Die unebene Anode könnte sich auch in Weltraumanwendungen als sehr wichtig erweisen, wo Batterien aufgrund der enormen Temperaturschwankungen oft als zu riskant für die Verwendung für die meisten Anwendungen angesehen werden. Beispielsweise kann die Außenseite der Internationalen Raumstation auf der Sonnenseite Temperaturen von bis zu 121 Grad Celsius (250 Grad Fahrenheit) und auf der Schattenseite bis zu -157 Grad Celsius (-250 Grad Fahrenheit) erreichen.

Die Ergebnisse erschienen in der Zeitschrift ACS Central Science.