Warum senkt Schnellladen die Akku-Kapazität?

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Das schnelle Aufladen von Batterien, beispielsweise an Ladestationen für E-Autos, wirkt sich negativ auf die Kapazität aus. Der Wissenschaftler David Wragg von der Universität Oslo hat dieses Phänomen näher untersucht. Mittels Röntgenstrahlen konnte er in eine Batterie „hineinsehen“ und die Gründe besser verstehen.

Batterien reagieren empfindlich auf zu schnelles Laden

David Wragg ist leitender Ingenieur am Zentrum für Materialwissenschaft und Nanotechnologie an der Universität Oslo. „Schnellladen ist so etwas wie der Heilige Gral“, erklärt Wragg. „Jeder, der ein Gerät mit einer Lithium-Ionen-Batterie besitzt, möchte diese Möglichkeit haben.“ Doch die komplizierte Chemie im Inneren der Batterie reagiert sehr empfindlich auf schnelles Laden. Deshalb dauert das Aufladen eines Elektroautos immer noch deutlich länger als das Auftanken eines Verbrenners.

Ionen werden zu unbeweglichen Metallteilchen

Wie Forscher schon wissen, wandeln sich Lithium-Ionen in Lithium-Metall um, wenn sie sich durch die Batterie bewegen. Beim Laden und Entladen wandern die Ionen zwischen Kathode und Anode hin und her, wobei sie teilweise in reines Lithiummetall umgewandelt und dadurch unbeweglich werden. Als Folge sind sie nicht mehr nutzbar und die Kapazität der Batterie sinkt.

Ein Blick ins Innere der Batterie

Das geht umso schneller, je schneller die Batterie geladen wird. Warum das so ist, haben Wragg und seine Kollegen nun mithilfe von Röntgenstrahlen beobachtet. Sie luden Batterien mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten auf und scannten sie alle 25 Millisekunden. Das lieferte ihnen jede Menge Daten über das, was im Inneren passiert, und zwar bis hin zur atomaren Ebene.

Die Anode in der Batterie besteht aus Graphit, also aus dünnen Kohlenstoffschichten. Dort lagern sich die Lithium-Ionen beim Aufladen ein. Wenn der Ladestrom hoch ist, müssen sie schneller als üblich einen Platz in der Anode finden, was den Forschern zufolge zu Engpässen führt. Denn chemisch betrachtet gibt es gewisse Grenzen im Hinblick darauf, wie schnell dieser Prozess ablaufen kann.

„Leeres Graphit ist wie ein Kartenspiel, und die Lithium-Ionen sind wie winzige Kugeln, die in die Zwischenräume der Karten geschoben werden“, erklärt David Wragg. „Man schiebt die Ionen immer weiter hinein. Aber wenn die Ionen, die sich bereits dort befinden, nicht tiefer in den Stapel eindringen können, ist kein Platz für neue Ionen. Wenn man die Batterie sehr schnell auflädt, verteilt sich das Lithium nicht über die gesamte Graphit-Elektrode.“

Die Ionen wachsen zu Metallklumpen an

Stattdessen werden die geladenen Lithium-Ionen zu neutralen Atomen und sammeln sich als winzige Metallklumpen an, erklärt der Wissenschaftler weiter. Sie stecken sozusagen fest, während gleichzeitig weiter Ladeenergie zugeführt wird. Diese überschüssige Energie ist es möglicherweise, die ein Ion in ein neutrales und stabiles Atom verwandelt, glaubt Wragg.

Dafür gibt es bereits einen Fachbegriff: Lithiumplattierung. Doch obwohl dieser Prozess bekannt ist, konnten ihn die Forscher aus Oslo dank der Röntgenstrahlen zum ersten Mal in einer funktionierenden Batterie beobachten. „Wir konnten tatsächlich sehen, wie sich die Lithiumschicht aufbaut. Beim Schnellladen konnten wir sehen, wie sie sehr schnell immer größer wird. Unsere Theorie ist, dass es etwas mit dem Rückstau von Lithium-Ionen zu tun hat. Wir sehen viele Lithium-Ionen in der Nähe des Separators, und dort bildet sich auch die Lithiumschicht“, sagte Wragg.

Lösungsansätze brauchen Zeit

Die Untersuchung zeigt, dass es für Schnellladen nun neue Lösungen braucht. Konkret müssen Batteriehersteller den Lithiumtransport verbessern, damit die Ionen beim schnellen Aufladen eine bessere Chance haben, die gesamte Graphitanode zu erreichen. Ein Ansatz sind Kohlenstoff-Nanoröhrchen, also Graphit, das zu Röhren geformt wurde. Wragg und seine Kollegen in Oslo dagegen arbeiten mit Graphen in der Anode. Wragg betont, dass eine Lösung gefunden werden wird. Aber: „Graphit ist schon seit Hunderten von Jahren bekannt. Graphen und Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind seit etwa 30 Jahren bekannt. Es braucht also Zeit.“

Dank Graphen: Neuer Akku von GAC ist in 8 Minuten voll geladen

Der chinesische Hersteller GAC setzt ebenfalls auf Graphen und verspricht für sein Elektro-SUV Aion V eine Ladezeit von 8 Minuten. Der Schlüssel dazu ist „dreidimensionales Graphen“ in der Anode, das aus einer einzigen Schicht besteht. Das ultraschnelle Laden soll den Akkus von GAC nichts ausmachen: Sie sollen eine Million Kilometer durchhalten. Wie das genau funktioniert, hat GAC bisher allerdings nicht verraten.

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