Lithium-Ionen-Batterien sind vielseitig einsetzbar und glänzen mit einer hohen Energiedichte. Doch sie haben auch einen gravierenden Nachteil – bei kalten Temperaturen machen sie schnell schlapp. Chinesische Forscher haben eine Batterie entwickelt, die auch bei -70 Grad noch gut funktioniert. Sie hat allerdings einen großen Nachteil: Ihre Energiedichte ist recht gering. Trotzdem gibt es Einsatzmöglichkeiten.

Normale Akkus verlieren bei Minusgraden dramatisch an Leistung

Wenn die Temperaturen im Winter deutlich unter null Grad fallen, erstarrt der in Lithium-Ionen-Akkus verwendete flüssige Elektrolyt. Die Folge ist eine geringere Leitfähigkeit, wodurch Spannung und Kapazität sinken. Gängige Lithium-Ionen-Akkus liefern schon bei minus 40 Grad nur noch 12 Prozent ihrer Leistung, was in den kalten Regionen der Welt zu wenig ist.

Organische Substanz als Elektrolyt

Der Wissenschaftler Yongyao Xia und sein Team von der Fudan University in Shanghai setzen in ihrem Akku eine organische Substanz als Elektrolyt ein. So erreicht er auch bei minus 70 Grad noch 70 Prozent seiner ursprünglichen Leistung, wie sie im Fachmagazin „Joule“ berichten. Demnach wählte das Team Ethylacetat als Basis, eine Substanz, die erst bei minus 84 Grad gefriert. Dazu gaben sie das Lithiumsalz LiTFSI, das sich beim Aufladen in positive und negative Ionen aufspaltet.

100 Prozent Leistung bis minus 40 Grad

In Verbindung mit den üblichen Metallelektroden von Lithium-Ionen-Batterien waren Xia und seine Kollegen damit zunächst nicht erfolgreich. Der Grund: Die Ablagerung von Ionen im Inneren von Feststoff-Elektroden verlangsamt sich bei niedrigen Temperaturen. Deshalb entschieden sich die Forscher stattdessen für solide Polymere als Elektrodenmaterial. In diese lagern sich keine Lithium–Ionen ein, sondern bleiben an der Oberfläche, von wo sie schneller abfließen können. Der neue Akku behielt bei Tests 100 Prozent seiner Leistungsfähigkeit bis zu einer Temperatur von minus 40 Grad.

Energiedichte noch zu gering

Organische Materialien sind im Gegensatz zu den normalerweise eingesetzten Elektroden gut verfügbar, billig und umweltfreundlich. Doch die Batterie aus China hat einen entscheidenden Nachteil: Ihre Energiedichte ist geringer als die von Lithium-Ionen-Systemen und sogar als die von Blei-Säure-Batterien. Trotzdem könnten die Batterien zunächst als Hilfsenergiequelle eingesetzt werden, zum Beispiel um eine Lithium-Ionen-Batterie aufzuwärmen, schlagen die Forscher vor. Für einen dauerhaften Einsatz im Elektroauto oder Smartphone ist sie hingegen noch nicht geeignet.

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Quellen / Weiterlesen:
Ein Akku für die sibirische Kälte | Frankfurter Allgemeine
Diese Batterie funktioniert auch bei minus 70 Grad | Spiegel Online
Forscher entwickeln Super-Akku, der extremen Minus-Graden trotzen soll | Focus Online
Bildquelle: Pixabay

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7 KOMMENTARE

  1. Richtig Nico, mein Beispiel bezog sich nicht auf den Inhalt des Artikels, sondern auf Ihre Hypothese, dass Kapazität und Leistung immer proportional zueinander sind und deshalb als Synonyme verwendet werden können. Es war mein (offenbar gescheiterter) Versuch, Ihnen zu verdeutlichen, dass diese Annahme nicht zutrifft.
    Wo steht im Artikel, dass diese Batterie bei jeder Temperatur gleich lange beliebig viel Strom liefert – also in Ihrem Beispiel immer 4 Stunden lang? Denn nur in diesem höchst ungewöhnlichen Fall trifft Ihre Aussage zu, dass Leistung und Kapazität proportional zueinander sind.
    Unbestreitbar ist dagegen, dass viele Laien die Angabe einer Leistung und einer Energiemenge als gleichwertig ansehen, von diesen also die Einheiten W und Wh quasi als Synonyme gebraucht werden. Manche sehen sogar die Angabe von W/h und von Wh als gleichwertig an – was besonders peinlich wirkt, wenn die betreffende Person dabei den Eindruck erwecken will, sich besonders gut mit der Materie auszukennen:
    http://members.aon.at/energiebauer/page_3_1.html
    (Und im vorletzten Satz setzt dieser Autor dem ganzen noch die Krone auf: „Die zweite Zeile informiert über die seit Jänner 2012 erzeugte Gesamtleistung in KW/h“. Herrlich!)
    Von einem Autoren in einem Fach-Blog erwarte ich aber eigentlich, dass er diese Anfängerfehler nicht mehr macht – selbst wenn dieser „nur“ ein Energiebauer oder ein Chemiker sein sollte – und kein Physiker.

    (Für alle, die nebenbei was dazu lernen wollen: Auch für die Angabe kW/h – oder Variationen wie W/s oder MW/h – gibt es durchaus einen Einsatzbereich. Verwendet wird diese Maßeinheit bei der Angabe eines Leistungsgradienten, also die Änderung der Leistung innerhalb einer Zeiteinheit. Es ist z.B. ein essentieller Wert, wenn man verdeutlichen will, welche Belastung die Zufallsstromerzeuger wie Photovoltaik- oder Windenergieanlagen für unser Stromnetz bedeuten.)

    Wenn Ihnen die Angabe der Kapazität (z.B. Ah) nicht gefällt, bleibt es Ihnen natürlich unbenommen, stattdessen die Energiemenge (z.B. kWh) anzugeben. Allerdings sind diese Angaben nur dann äquivalent, wenn Sie davon ausgehen, dass die Spannung über den gesamten Zeitraum konstant ist (was bei einem Akku nicht zutrifft).
    Ihre Aussage, dass die Angabe der Kapazität wertlos sei, ist aber genauso wenig zutreffend, wie die Behauptung, dass die Angabe der Stromstärke z.B. auf einer Sicherung wertlos sei, weil Ihnen dort die Angabe einer Leistung lieber wäre.

    Was dieser Artikel nicht angibt, für die Nutzung in einem Elektroauto aber durchaus relevant ist, ist z.B.:
    – Welche Spannung liefert eine Zelle dieser „Wunderbatterie“ (bei Raumtemperatur)?
    – Welche maximale Stromstärke kann so eine Zelle (bei Raumtemperatur) ohne Zusammenbruch der Spannung liefern?
    – Welche Kapazität hat so eine Zelle (bei Raumtemperatur)?
    – Was ändert sich bei Änderung der Temperatur nicht: die Spannung, die maximale Stromstärke und/oder die Kapazität?
    Sie können den Artikel gerne so oft lesen, wie Sie wollen, Sie werden die Antworten darin nicht finden. Aber ohne diese Angaben ist der Artikel letztlich vollkommen wertlos. Naja – außer der Information, dass es nun (im Labor) eine Zelle geben soll, die auch bei sehr niedrigen Temperaturen irgend eine Spannung aufweist und deshalb Strom liefern kann.
    Denkbar wäre durchaus, dass diese Zelle bereits bei Raumtemperatur eine sehr niedrige maximale Stromstärke liefert – die sich dafür aber auch bei sehr niedrigen Temperaturen nicht mehr nennenswert verringert. Ob so eine Zelle dann aber für die Energiespeicherung eines Elektroautos geeignet wäre, würde ich dann durchaus anzweifeln.

    Und ich finde es extrem Schade, dass der Autor nicht auf meine Frage antwortet und uns beide somit kräftig im Nebel herumstochern lässt – was natürlich letztlich überhaupt nichts bringt.

  2. Das Beispiel bezieht sich aber nicht auf dem im Artikel beschriebenen Effekt der Temperaturabhängigkeit.

    Nehmen wir die gleiche Batterie welche 4 Stunden lang 60 W abgeben kann bei Normalbedingungen. Dann stellen wir sie am Südpol auf bei -40 Grad Celsius. Dann wird sie, wenn man sie wieder in 4 Stunden komplett entleert deutlich weniger Leistung in diesem Zeitraum abliefern können. Nehmen wir an es wären dann z.B. nur 30 W.

    Damit hat sich in diesem Fall die Kapazität um 50% verringert, ebenso wie sich die Leistung um 50% verringert hat (jetzt mal unrelevant, ob durch Verringerung der Spannung, Stromstärke oder beidem gleichzeitig).

    Da sind wir auch bei dem Punkt, dass die Einheit Ah nicht besonders geeignet ist, wenn wir mit Kapazität im allgemeinen Sprachgebrauch die verfügbare Energiemenge der Batterie („wie weit komme ich mit meinen E-Auto“) meinen. Denn bei Ah muss man immer auch die zugrunde liegende Spannung mit nennen, sonst ist die Einheit wertlos. Besser ist es in diesem Fall kWh für die Kapazität der Batterie zu verwenden, weshalb dies auch alle Anbieter für Auto- oder Hausbatterien tun.

    Und wenn ich dies tue, bin ich auch wieder bei der Proportionalität zwischen Leistung und Kapazität (im Sinne von Energiedichte – ergo Leistungsfähigkeit oder Leistungsvermögen) der Batterie.

  3. Ich versuch’s mal so:
    Nehmen wir an, sie haben einen Stromspeicher mit einer Spannung von 12 Volt und einer Kapazität von 20 Ah.
    Einmal entnehmen Sie aus diesem voll geladenen Speicher vier Stunden lang eine Leistung von 60 W.
    Ein zweites mal entnehmen Sie aus dem (wieder) voll geladenen Speicher 24 Stunden lang eine Leistung von 10 W.
    Inwiefern änderte sich beim Vergleich der beiden Fälle durch die Änderung der Leistung auch die Kapazität des Stromspeichers?

  4. Okay, dann geht halt die Stromstärke in die Berechnung ein. Die direkte Proportionalität bleibt erhalten, da wie schon gesagt P = U x I. Demnach sinken sowohl die Leistung als auch die Kapazität um 12%. Das Geschriebene stimmt also. Oder liegt hier ein Fehler?

  5. Ich frag ja nur, weil z.B. der verlinkte Quell-Artikel der Frankfurter Allgemeinen behauptet, dass die Kapazität eines Lithium-Ionen-Akkus bei -40 °C auf 12 % sinkt, während hier erzählt wird, es sei die Leistung, die dann auf 12 % sinkt.
    Und nein, die Kapazität ist weder mit der Leistung identisch, noch berechnet sie sich aus der Spannung – denn eine Coulomb ist nunmal eine Amperesekunde, ist also von der Stromstärke und der Zeit abhängig, aber nicht von der Spannung.
    Welche physikalische Eigenschaft der Artikel mit „Leistungsfähigkeit“ meint, erschließt sich mir aber noch immer nicht.

  6. Leistung = Spannung x Stromstärke

    Somit kann man meiner Meinung sagen, dass die Leistung abnimmt, wenn eigentlich die gemessene Spannung (oder Stromstärke) abnimmt. Ist ja direkt proportional zueinander.

    Kapazität ist dann wieder ein anderes Thema, aber ich denke das wurde in dem Artikel auch korrekt unterschieden. Und selbst wenn nicht, auch die Kapaziät errechnet sich aus der Spannung, wodurch hier ein entsprechender Zusammenhang gegeben ist.

  7. Nachfragen an den Autoren:
    Ist in diesem Artikel tatsächlich immer Leistung gemeint, wenn von „Leistung“ geschrieben wird? Oder wird „Leistung“ lediglich als Platzhalter verwendet – und steht somit allgemein für Begriffe wie Spannung, Stromstärke, Kapazität und Leistung?
    Ist mit „100 Prozent Leistung“ die Leistung eines konventionellen Lithium-Ionen-Akkus gemeint, oder die Leistung des hier vorgestellten Akkus unter Referenzbedingungen?

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