Selbsterwärmende Lithium-Ionen-Batterie schlägt der Winter-Reichweite in Zukunft ein Schnippchen

6.2.2016 Ein Forscherteam in Pennsylvania arbeitet an einem spannenden Batterieforschungsprojekt

Pennsylvania - So manche enthusiastische E-Mobilisten kennen das Problem einer verringerten Reichweite im Winter, wenn die Temperaturen unter Null Grad Celsius fallen. Dieses könnte in Zukunft der Vergangenheit angehören. Ein Team von Forschern von der Penn State und dem EC Power State College in Pennsylvania forscht an der Lösung: Es ist ein Lithium-Ionen-Batterie, die sich selbst erwärmt, wenn die Temperatur sinkt.

"Es ist eine lange bestehendes Problem, dass die Batterien bei Temperaturen unter Null langsamer laden und die Reichweite sinkt", meint Chao-Yang Wang, vom William E. Diefenderfer Lehrstuhl für Maschinenbau, Professor für Chemieingenieurwesen und Professor für Materialwissenschaften, der das Projekt leitet. "Das ist für Handys und Laptops kein extrem großes Problem, aber ist ein großes Hindernis für Elektrofahrzeuge, Drohnen, Outdoor-Roboter und Raumfahrtanwendungen."

Herkömmliche Batterien leiden bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt unter Leistungseinbußen, die in der kalten Jahreszeit sogar zu bis zu 40 Prozent verlangsamtem Laden führen können, so die Forscher in einem Fachartikel der Zeitschrift Nature. Diese Probleme erfordern größere und teurere Batteriepacks für die kalte Jahreszeit.

"Wir wollen nicht, dass Elektroautos 40 bis 50 Prozent ihrer Reichweite verlieren, wie von der American Automobile Association berichtet, und wir wollen nicht, dass das kalte Wetter Reichweitenangst verschärft", so Wang. " Reichweitenangst ist das Letzte, was wir brauchen."

Die Forscher entwickeln, aufbauend auf früheren Forschungen, eine Batterie für jedes Klima, die nur 1,5 Prozent mehr kosten soll. Sie kann innerhalb von 20 Sekunden von -4 bis 32 Grad Fahrenheit wechseln und von -22 bis 32 Grad Celsius in 30 Sekunden, und verbraucht dabei nur 3,8 Prozent bzw. 5,5 Prozent der Kapazität der Zelle. Dies ist wesentlich weniger als die 40 Prozent Verlust in herkömmlichen derzeit meist verwendeten Lithium-Ionen-Batterien.

Die "all-Klima" Batterie verwendet eine Nickelfolie von 50 Mikrometer Dicke mit einem Ende an dem der negativen Anschluß angebracht ist und einem anderen außerhalb der Zelle, um einen dritten Anschluss zu schaffen. Ein Temperatursensor mit einem Schalter verursacht Elektronen, die durch die Nickelfolie fließe, um den Stromkreis zu schließen. Dies heizt die Nickelfolie schnell auf und durch diese Widerstandsheizung erwärmt sich das Innere der Batterie. Sobald die Batterie bei 0 Grad Celsius ist, schaltet sich der Schalter aus und der elektrische Strom fließt in der üblichen Weise. Es könnten auch andere Materialien als Widerstandsheizelement dienen, aber Nickel ist sehr kostengünstig und funktioniert gut.

"Demnächste möchten wir die Arbeit um einen neuen Bereich erweitern, genannt SmartBattery", sagt Wang. "Wir denken, dass wir ähnliche Strukturen und Prinzipien nutzen könne, um aktiv die Batteriesicherheit, die Leistung und die Lebensdauer zu regeln."

Am Projekt beteiligt sind Guangsheng Zhang und Yongjun Leng, wissenschaftliche Mitarbeiter der Abteilung Maschinenbau und Xiao-Guang Yang, Postdoctoral Fellow an der Penn State, außerdem Terrence Xu, Shanhai Ge, Yan Ji, Innovations-Ingenieure am EC Power State College. Wang ist auch Chief Technology Officer und Gründer des Start-Ups EC Power. EC Power unterstützt das Projekt ebenfalls.

Quelle: Penn State