Die meisten Menschen, die Elektroautos fahren, machen sich über ein paar Dinge Sorgen: Wie weit das Auto mit voller Ladung fahren kann, wie die Batterie funktioniert, wenn es draußen sehr kalt wird, und wie schnell sie wieder aufgeladen werden kann. Eine neue Forschungsarbeit, die am 25. Februar in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde, zeigt, dass wir kurz davor stehen könnten, zwei dieser Probleme gleichzeitig zu lösen.
Die Forschung stammt von einem Team unter der Leitung von Professor Zhao Qing und Akademiker Chen Jun von der Nankai-Universität sowie Li Yong vom Shanghai Institute of Space Power Sources. Sie haben einen Weg gefunden, Lithiumbatterien viel leistungsfähiger zu machen. Konkret erreichten sie eine Energiedichte von 700 Wh/kg. Die besten Batterien, die heutzutage in Autos verwendet werden, erreichen in der Regel eine Leistung von etwa 250 Wh/kg bis 255 Wh/kg, und Festkörperbatterien versprechen etwa 500 Wh/kg.
Um zu verstehen, warum dies wichtig ist, stellen Sie sich eine Batterie wie einen Kraftstofftank vor. Wenn Sie zwei Tanks mit dem gleichen Gewicht haben, einer jedoch dreimal so viel Energie enthält, kann Ihr Auto viel weiter fahren, ohne anzuhalten. Die neue Technologie verdreifacht die Energiekapazität im Vergleich zu aktuellen Standards nahezu. Dies bedeutet, dass Elektroautos letztendlich viel längere Strecken zurücklegen könnten, ohne dass riesige, schwere Batteriepakete erforderlich wären, die das Fahrzeug beschweren.
Das Geheimnis dieses Leistungssprungs liegt in der Flüssigkeit im Inneren der Batterie – dem Elektrolyten. Batterien verwenden eine Mischung aus Lithiumsalzen und Carbonatlösungsmitteln, die auf Sauerstoffatome angewiesen sind, um die Bewegung des Lithiums zu unterstützen. Das funktioniert ziemlich gut, hat aber große Nachteile. Die flüssigen Elektrolyte sind dickflüssig und verteilen sich nicht leicht. Sie funktionieren auch nicht mehr richtig, wenn die Temperatur sinkt, weshalb viele Elektrofahrzeuge im Winter an Reichweite verlieren.
Das chinesische Team beschloss, etwas anderes auszuprobieren. Sie schufen eine neue Art von Flüssigkeit unter Verwendung fluorierter Kohlenwasserstofflösungsmittel. Anstatt Sauerstoff zum Bewegen des Lithiums zu verwenden, verwendeten sie Fluor. Durch diese Änderung wird die Flüssigkeit viel „feuchter“, sodass die Batterie weniger davon benötigt, um zu funktionieren. Da die Flüssigkeit dünner ist und besser fließt, kann sie Energie viel schneller transportieren.
Das neue Design verhält sich bei Kälte unglaublich gut. Herkömmliche Batterien geben bei Frost oft den Geist auf, aber die neuen Zellen können auch bei -50 °C noch funktionieren. Selbst bei dieser extremen Temperatur behält die Batterie eine Energiedichte von fast 400 Wh/kg. Das ist immer noch mehr als das, was die meisten High-End-Elektrofahrzeuge heute bei Raumtemperatur bieten.
Das Team erklärte, dass sie bei der Herstellung des neuen Elektrolyten sehr vorsichtig sein mussten – sie mussten den „Raum“ innerhalb der Flüssigkeit ausgleichen, damit sich die Lithiumatome frei bewegen konnten. Durch die Umstellung von Sauerstoff auf Fluor wurde der Engpass beseitigt, der die Leistung beeinträchtigte, sodass die Batterie gleichzeitig leichter und stärker wurde.
Viele Unternehmen sind bestrebt, Festkörperbatterien zu bauen, die oft als „heiliger Gral“ der Branche bezeichnet werden. Aber selbst diese Batterien erreichen meist nur etwa 400 Wh/kg. Die neue Entdeckung zeigt, dass „flüssige“ Batterien tatsächlich Festkörperbatterien schlagen können, wenn die Chemie stimmt. Wenn dies vom Labor in die Fabrik übergeht, könnte es die Art und Weise verändern, wie wir alles bauen, vom Lieferwagen bis zum Flugzeug.
Diese Batterien könnten fortschrittliche Roboter oder sogar im Weltraum eingesetzte Geräte mit Strom versorgen. Derzeit bezieht sich die Zahl von 700 Wh/kg nur auf die einzelne Zelle. Sobald diese Zellen jedoch zu einem vollständigen Batteriesystem zusammengefügt werden, werden die Gewinne erheblich sein. Diese Untersuchung zeigt, dass Lithiumbatterien noch ungenutztes Potenzial haben und die Erwartungen an die Festkörpertechnologie in Frage stellen.
