E-Auto-Akku: Neue Technik/Forschungsstand

Mehr Reichweite durch höhere Kapazitäten und kürzere Ladezeiten bei E-Autos ist der Treiber der Forschung: Entwicklungen zu neuen Batterietechniken dokumentieren wir hier. So hat ein Akku-Hersteller im April 2024 eine neue Batterie vorgestellt, mit der E-Autos 1000 km weit kommen sollen – mit nur einer Ladung.

CATL verspricht 1000 km Reichweite

Der Batterie-Hersteller CATL hat auf der Automesse in China im April 2024 einen neuen Akku vorgestellt, der eine Reichweite von 1000 km ermöglichen soll. Die LFP-Batterie Shenxing Plus mit den haltbaren Lithium-Eisenphosphat-Zellen soll zudem sehr schnell geladen werden können. In nur zehn Minuten Ladezeit soll eine Reichweite von 600 km erreicht werden. Möglich soll dies laut Hersteller durch die neuartige Einteilung des Gehäuses sein. Durch die optimale Innenraumnutzung soll ein "beispielloses Energiedichteniveau erreicht" worden sein.

Der technische Hintergrund: Die Kathode (Elektrode, an der positiv geladene Teilchen Elektronen aufnehmen können) von Shenxing Plus wird mit einer Granulatabstufungstechnologie hergestellt, die jeden Nanometerpartikel in die optimale Position bringt, um eine ultrahohe Dichte zu erreichen. Der Anode (negative Elektrode) wird ein wabenförmiges 3D-Material hinzugefügt, welches die Energiedichte erhöht und gleichzeitig die Volumenausdehnung während der Lade- und Entladezyklen effektiv kontrolliert. Das ist jedoch nicht die einzige Innovation: Neben der Zellchemie wurde bei der neuen Batterie auch das Zellgehäuse verbessert. Weitere Informationen zum Einsatz des neuen Akkus hat der seit 2014 auch in Deutschland produzierende und weltweit größte Hersteller von Elektroauto-Batterien jedoch nicht kommuniziert.
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Toyota mit Durchbruch bei Feststoffakku

Bei der Forschung im Bereich des Festkörperakkus hat Toyota Medienberichten zufolge einen Durchbruch erreicht. So soll die neue Batterie im Vergleich zu aktuellen Batterien kleiner, leichter und günstiger in der Herstellung sein. Zudem soll sie schneller laden als herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus. Das Verringern der Kosten soll durch einen deutlich vereinfachten Prozess in der Produktion möglich sein. Die Probleme mit der Haltbarkeit bei der Verwendung eines festen anstelle eines flüssigen Elektrolyten hat Toyota nun wohl gelöst, was einen Durchbruch in der Batterieforschung bedeutet. Der angekündigte Feststoffakku soll eine Reichweite von 1200 km und eine Ladezeit von nur zehn Minuten bieten. Aktuell sei die Technik noch nicht 100 Prozent ausgereift. Serienreife könnte sie 2027 oder 2028 erlangen. 

Joint Venture zwischen GM und OneD Battery

OneD Battery ist ein Start-up aus Kalifornien, das durch ein neu entwickeltes Verfahren Nanodrähte aus Silizium in das Graphit von Lithium-Ionen-Akkus integrieren kann. Silizium in der Graphit-Anode soll die Energiedichte der Batterie verdreifachen, die Ladegeschwindigkeit merklich erhöhen und die Produktionskosten auf die Hälfte reduzieren. Für den technisch anspruchsvollen Vorgang hat OneD Battery die "Sinanode" entwickelt. Ein Gerät, das pro Kilogramm Anodenmaterial rund 100.000 Bill. Nanodrähte in das Graphit integrieren kann, wie das Handelsblatt berichtet. Es seien bereits 240 Patente für die neue Technik verzeichnet. Die vielversprechende Entwicklung hat Ende 2022 dazu geführt, dass General Motors ein Joint Venture mit OneD Battery eingegangen ist. Zudem haben GM und Volta Energy Technologies 25 Mio. US-Dollar in die Forschung von OneD Battery investiert. Start-up-Chef Vincent Pluvinage verspricht die Massenproduktion der neuen, leistungsstärkeren Batterie für Elektroautos in drei bis vier Jahren.

Erfolgreiche Tests von StoreDot: 160 km in fünf Minuten laden

Mit einem Akku, der beim Aufladen in fünf Minuten eine Reichweite von 160 km zurückgewinnen soll, vermeldet das israelische Start-up StoreDot das Erreichen eines Meilensteins. Nachdem der Prototyp eines Akkus aus rund 40 Prozent Silizium im März 2022 bereits erfolgreich 1200 Ladezyklen bewältigt hat, hat die fertige Version des Akkus nun einen Test über 1000 Ladezyklen absolviert. Basis für den Test war ein 30-Ah-Batteriepaket mit einer Energiedichte von 330 Wh/kg. Es wurde 1000 Mal von zehn auf 80 Prozent in zehn Minuten aufgeladen und verlor dabei nicht mehr als 20 Prozent seiner Kapazität. Überträgt man die Daten auf eine 75 kWh große Batterie, die 358 Meilen (rund 576 km) maximale Reichweite liefert, hätte sie gemäß der Aussage von StoreDot mit jedem Ladezyklus eine Reichweite von mindestens 200 Meilen (rund 322 km) erreicht. Der "100in5" genannte Akku (100 Meilen in 5 min.) soll 2024 in Serienfahrzeugen zum Einsatz kommen.

E-Autos extrem schnell laden: Li-Ion-Batterie von Nyobolt

Nyobolt, ein britisches Start-up, hat sich der Weiterentwicklung von Lithium-Ionen-Batterien für E-Autos verschrieben. Die Unternehmensgründer sind Wissenschaftler:innen der Universität of Cambridge. Ihr Forschungsansatz ist die Verwendung eines alternativen Materials für die Anode im Akku. Üblicherweise besteht diese aus Grafit. Bei der neuen Technik kommt nun Niobwolframoxid zum Einsatz. Das hat zur Folge, dass sich die Lithium-Ionen schneller in der Zelle bewegen können – so schnell, dass eine Aufladung von null auf über 90 Prozent nur fünf Minuten dauern soll. Auch das Problem der Wärmebildung soll damit ein Ende haben. Der Akku erreiche während des Ladevorgangs nicht mehr als schonende 40 Grad Celsius. Der Batterie-Prototyp soll zudem auch nach hunderten Ladezyklen noch 90 Prozent seiner Kapazität behalten haben. Künftig auch nach 10.000 Ladezyklen, so das Ziel der Forschenden. Die neue Technik hat aber einen erheblichen Haken. Die Schwermetalle Niob und Wolfram sind zwar keine seltenen Elemente, ihr Abbau erfolgt jedoch meist in Konfliktregionen, häufig illegal und in Verbindung mit Menschenrechts- und Völkerrechtsverletzungen.

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Mahle entwickelt Batterie-Kühlung für schnelleres Laden

Mahle, ein Zulieferer und Entwicklungspartner der Automobilindustrie aus Stuttgart, hat eine neue Technik zur Kühlung von Batterien in E-Autos entwickelt. Durch das neuartige Temperatur-Management der Akkus mittels Immersionskühlung sollen Batterien schneller geladen werden können. Eine nicht leitende Kühlflüssigkeit befindet sich dabei innerhalb der Batteriezelle, um die maximale Temperatur zu senken und eine bessere Wärmeverteilung in der Zelle zu erreichen.

E-Autos schneller laden: Neue Batterie von SALD

Einem Start-up aus dem niederländischen Eindhoven zufolge soll dessen neu entwickelte Batterie künftig Reichweiten von über 1000 km ermöglichen und fünfmal schneller geladen werden können als heutige Batteriezellen. Die neuen Batterien von sind eine Weiterentwicklung der gängigen Lithium-Ionen-Technik. Durch "Spatial Atom Layer Deposition" – kurz SALD – werden Beschichtungen im Inneren des Akkus aufgetragen, die so dünn sind wie ein einziges Atom. Durch die Nanobeschichtung entsteht eine sogenannte "Artificial Solid-Elektrolyte Interphase" (A-SEI), die gegenüber bisherigen SEI über eine deutliche bessere Leistungsfähigkeit verfügen und Langlebigkeit, Sicherheit sowie Kapazität deutlich steigern soll. So sollen E-Autos binnen zehn Minuten rund 80 Prozent nachladen, in 20 min. sollen 100 Prozent erreicht sein. Entwickelt wurde das Verfahren von den deutschen Fraunhofer-Instituten und der staatlichen niederländischen Forschungseinrichtung "The Netherlands Organisation for applied scientific research" (TNO). Die neuen Batterien für mehr Reichweite sollen frühestens 2022 beziehungsweise 2023 in Elektroautos eingebaut werden können, wie Geschäftsführer Frank Verhage erklärt. SALD verfügt seiner Darstellung nach über alle notwendigen Patente und hat bereits Fertigungsmaschinen für Kleinserien in Betrieb. Der großindustrielle Einsatz stünde allerdings erst noch bevor.

Reichweite von E-Autos: Neue Batterie der Chao-Yang Wang Gruppe

Auch Wissenschaftler:innen der Chao-Yang Wang Gruppe an der Pennsylvania State University sollen eine neue Batterie, die in zehn Minuten auf 80 Prozent geladen werden kann und die Lebensdauer eines Autos übersteigt, realisiert haben. Ihr Lösungsansatz: Eine in den Energiespeicher eingebaute Heizung. Der Grund, warum E-Auto-Akkus bislang nicht in einem Tempo aufgeladen werden können, das etwa einem Stopp an der Tanksäule entspricht, ist den chemischen Eigenschaften der Litium-Ionen-Zellen geschuldet. Das Lithium lagert sich beim Laden an einer Elektrode an und wird beim Entladen dort wieder abgerufen. Wird die Batterie nun zu schnell geladen, kann das Lithium an der Oberfläche der Elektrode haften bleiben, dort eine metallische Schicht bilden und im schlimmsten Falle einen Kurzschluss verursachen. Die Forschungsgruppe soll nun aber einen Weg gefunden haben, diese Lithium-Schicht in einer Batterie zu verhindern. Im Labor wurden dafür handelsübliche Batteriebauteile mit einer dünnen Schicht aus Nickel überzogen. Diese wird bei jedem Laden mit Strom versorgt und heizt damit die Batterie auf 60 Grad Celsius auf. Dass Batterien bei hohen Temperaturen Schaden nehmen können, gilt nach wie vor. Aus diesem Grund ist dieser Vorgang auf zehn Minuten begrenzt. Allerdings verhindert die Wärme, dass sich das Lithium bei sehr schnellen Ladevorgängen ablagert. Auch bei üblichem Ladetempo bildet sich mit der Zeit eine Lithium-Schicht, die die Kapazität der Batterie verringert. Durch die Wärmezufuhr während des Ladens wird daher auch die Lebensdauer der Batterie insgesamt verlängert. Selbst bei über 2500 Ladezyklen weist die neue Batterie eine Ladekapazität von über 90 Prozent auf, mehr als Autosteller von einer E-Auto-Batterie erwarten.