Durchbruch Elektrifizierung des Verkehrs 27.07.2020, 07:52 Uhr

Pionierleistung von Batterieforschern macht Elektroautos endlich reichweitenstark

Batterieforschern am Lawrence Berkeley National Laboratory ist ein Durchbruch gelungen: neuartige Batterieelektrolyten sollen die Reichweite von Elektroautos deutlich erhöhen.

Batterie vor rotem Grund

Lange Lebensdauer der Batterie ist eine der größten Herausforderungen der Fahrzeugbranche.

Foto: panthermedia.net/vksdesigns

Eines der größten Herausforderungen der E-Mobilität ist die Reichweite von Fahrzeugen. Derzeit arbeiten Forscherteams rund um den Globus an Möglichkeiten, eine wieder aufladbare Batterie zu konzipieren, mit deren Hilfe Elektroautos mit nur einer einzigen Ladung viele Hunderte von Kilometern zurücklegen können. Bislang konzentrierten sich die Forscher darauf, die in EV-Batterien genutzten Graphit-Anoden durch Lithium-Metall-Anoden auszutauschen. Mehr zur konkreten Entwicklung der Forscher, hat INGENIEUR.de mit Brett Helms, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Berkeley Lab, besprochen.

Bei diesem Austausch zeigten sich allerdings signifikante Probleme. So hilft das Lithium-Metall zwar dabei, die Reichweite von Elektrofahrzeugen zu verlängern, doch zeigten sich parallel dazu sogenannte Lithium-Dendriten, welche die Lebensdauer der Batterien drastisch verkürzen. Aufgrund der vielen Lade- sowie Entladezyklen bilden sich kleine tentakleartige Defekte an den Lithium-Anoden, die sich immer weiter ausbreiten und die Batterie somit mit jedem Lade- oder Entladevorgang zunehmend schädigen. Aus diesem Grund gingen die Forscher bislang von der Annahme aus, dass feste und gleichermaßen harte Elektrolyte die Ausbreitung von Dendriten am besten verhindern können. Problematisch dabei ist, dass die Entstehung von Dendriten auf diese Weise jedoch in keinster Weise verhindert wird.

Batterie für E-Autos: Richtungsweisende Fortschritte am Berkeley Lab

Kürzlich ist es einer Forschergruppe des Lawrence Berkeley National Laboratory, kurz Berkeley Lab, gelungen, in Kooperation mit der Carnegie Mellon University neuartige Elektrolyte zu entwickeln, welche einen anderen Ansatz verfolgen. Hierbei handelt es sich um eine Gruppe weicher sowie fester Elektrolyte, die sowohl aus Keramik als auch aus Polymeren bestehen. Diese Kombination sorgt dafür, dass die Keimbildung der Dendriten unterdrückt wird, bevor sich diese ausbreiten und die Batterie schädigen können. Das Resultat der Entwicklung am Berkeley Lab dürfte richtungsweisend für die Auto- und Flugzeugindustrie der Zukunft sein. Anhand der neuen dendritenunterdrückende Technologie sollen Batteriehersteller künftig in der Lage sein, Lithium-Metall-Batterien herzustellen, die sowohl sicher sind, zudem eine hohe Energiedichte aufweisen und zeitgleich über eine lange Lebensdauer verfügen.

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Diese Technik verbirgt sich hinter der Dendritenunterdrückung

Um die neuartigen Batterien konzipieren und weiche sowie feste Elektrolyte herstellen zu können, wurde auf weiche Polymere mit einer intrinsischen Mikroporosität gesetzt. Die Poren der Polymere konnten mit Keramikpartikeln aufgefüllt werden, welche lediglich Nanogröße aufweisen. Das daraus resultierende Elektrolyt lässt sich aufgrund seiner Eigenschaften sehr gut formen. Somit können Batteriehersteller künftig eine Lithiumfolie herstellen, bei der das Elektrolyt als eine Art Laminat agiert und die Anode vom Batterieseperator trennt.

Nach der Entwicklung der dendritenunterdrückende Technologie nutzte das Forscherteam um Brett Helms Röntgenstrahlen, um die Eigenschaften zu überprüfen und zu demonstrieren. Dabei wurden 3D-Bilder generiert, welche den Grenzbereich zwischen dem Lithium-Metall und den Elektrolyten bei einem gleichmäßigen sowie hohem Stromfluss fokussierten. Nach einer 16-stündigen Bestrahlung waren die Ergebnisse mehr als deutlich. So waren die Oberflächen der neuartigen Elektrolyte auch nach dem Stromfluss noch durchgehend glatt. Dem gegenüber stand ein identischer Test, bei welchem das Verbundelektrolytmaterial nicht zum Einsatz kam. Hierbei wurde deutlich, dass bereits nach 16 Stunden durchgehenden Stromflusses ein deutliches Dendritenwachstum eingesetzt hatte. Aufgrund der Eigenschaften des neuen Materials sehen die Forscher dafür in Zukunft eine Vielzahl an Anwendungsgebieten. So können die Batterien sowohl für Elektrofahrzeuge, Lastwagen aber auch für eVTOL-Flugzeuge (elektrisches vertikales Starten und Landen) genutzt werden.

Grafik Röntgenstrahlen um 3D-Bilder der Grenzfläche zwischen Lithiummetall und Elektrolyt zu erstellen

Das Helms-Team verwendete Röntgenstrahlen um 3D-Bilder der Grenzfläche zwischen Lithiummetall und Elektrolyt zu erstellen.

Foto: Brett Helms / Berkeley Lab

Langlebige Batterien für E-Autos verbessern Alltagstauglichkeit

Die Entwicklung von effizienten sowie langlebigen Batterien beschäftigt den E-Sektor bereits seit vielen Jahrzehnten. Wie komplex dieses Themengebiet ist, wird durch den langen Zeitraum der Forschung deutlich. Nun könnten innovative Ansätze wie die dendritenunterdrückende Technologie dafür sorgen, dass E-Autos künftig einen deutlich höheren Stellenwert bei der Energiewende und dem umweltschonenden Fahren einnehmen. Bislang wurden viele Privatpersonen und Unternehmen durch die geringe Reichweite von E-Fahrzeugen abgeschreckt. Selbiges gilt auch für die Anschaffung von Flugzeugen mit elektronischen Antrieben. Die geringe Reichweite war schlichtweg nicht alltagstauglich. Mithilfe der dendritenunterdrückende Technologie ist nun ein weiterer Grundstein gelegt worden, um eben jene Alltagstauglichkeit drastisch zu verbessern.

Die Forscher des Berkeley Lab arbeiten an nachhaltigen Energie- und Umweltlösungen, schaffen nützliche neue Materialien, erweitern die Grenzen des Rechnens und erforschen die Geheimnisse des Lebens, der Materie und des Universums. Wissenschaftler aus der ganzen Welt verlassen sich für ihre eigene Forschung auf die Einrichtungen des Labors. Das Berkeley Lab ist ein nationales Multiprogramm-Labor, das von der University of California für das Office of Science des US-Energieministeriums verwaltet wird.

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