US-Forscher im Interview 20.08.2020, 09:50 Uhr

Durchbruch der Forscher: Was wirklich hinter der reichweitenstarken Batterie für E-Autos steckt

Weder Motor noch Cockpit: Die Reichweite überzeugt bei einem Elektroauto. Für den Durchbruch der Elektromobilität ist es unerlässlich, dass Batterien leistungsstark und sicher sind. Wie das neue Forschungsergebnis am Berkeley Lab Menschen Hunderte Kilometer Fahrt ohne Aufladen ebnet, erfahren Sie hier.

Auto mit Hand, die Ladegerät hält

Endlich mehr Reichweite: E-Autos sollen nicht nur als City-Flitzer dienen.

Foto: panthermedia.net/Lightpoet

Eine hohe Reichweite von Elektroautos zählt zu den größten Herausforderungen der Elektromobilität. Forscher auf der ganzen Welt arbeiten in Projekten an Batterien, die E-Autos und auch elektrische Flugzeuge fit für lange Strecken machen. Einen Durchbruch konnten die Batterieforscher am Lawrence Berkeley National Laboratory erzielen. Neuartige Batterieelektrolyten sollen die Reichweite von Elektroautos und auch E-Flugzeugen deutlich erhöhen. INGENIEUR.de hat jetzt mit Brett Helms, Principal Investigator des Projekts, gesprochen.

ingenieur.de: Neuartige Batterieelektrolyte sollen die Reichweite von Elektroautos und Elektroflugzeugen erheblich verbessern. Warum ist dieses Forschungsergebnis ein Durchbruch für die Elektromobilität?

Helms: Die Elektrifizierung des Verkehrs ist entscheidend für die Erreichung unserer Nachhaltigkeitsziele in Bezug auf Emissionen, also Treibhausgase und giftige Stickoxide, sofern der Strom aus erneuerbaren emissionsfreien Quellen wie Sonne oder Wind stammt. Batterien, die Fahrzeugen sozusagen helfen, eine Distanz gut zu bewältigen, verbessern unsere Elektromobilität. Lithium-Metall-Batterien haben eine höhere Energiedichte, die längere Strecken mit einer einzigen Ladung ermöglichen. Außerdem sind sie leistungsstark, was elektrischen Flügen zu Gute kommt.

Apropos elektrischer Flug: Warum reicht es an dieser Stelle nicht aus, Graphitanoden durch Lithiummetallanoden zu ersetzen?

Für den Elektroflug können Flugzeuge, die Batterien mit Graphitanoden implementieren, nicht genügend Nutzlast tragen, damit Geschäftsmodelle rentabel sind. Daher ist dieses Vorgehen unbrauchbar.

In Ihrer Forschungsarbeit schreiben Sie, dass Lithiumdendriten die Lebensdauer der Batterie verkürzen? Warum ist das so?

Wenn sich ein Lithiumdendrit bildet und die Batterie kurzschließt, muss die Batterie ersetzt werden. Bei Lithium-Ionen-Batterien wachsen nämlich oft nadelartige Strukturen zwischen den Elektroden, die die Batterien dann kurzschließen und manchmal sogar Brände verursachen können. Dendritenkeime können die Batterie schwer schädigen.

Können Sie kurz erklären, was ein Lithiumdendrit genau ist?

Lithiumdendriten sind nadelartige, nur wenige hundert Nanometer dicke Strukturen. Diese können von der Lithiumelektrode durch flüssige oder feste Elektrolyte zur positiven Elektrode wachsen. Unsere Untersuchungen führen zur Verbesserung von Batterien und machen diese zudem sicherer.

Und wie beschädigen Dendritenkeime die Batterie genau?

Dendriten wachsen von der Oberfläche der Anode und wandern durch die Zelle. Wenn sie schließlich die Kathode erreichen, wird die Batterie entladen, kurzgeschlossen oder schlimmer noch, es kommt zu einem thermischen Durchgehen, das zu einem Brand führen kann.

Erklären Sie doch bitte die Dendritenunterdrückungstechnologie, die bei der Entwicklung der Elektrolyte zum Einsatz kommt, in wenigen Sätzen.

Unsere Festelektrolyttechnologie behebt bisher nicht erkannte dichtegesteuerte Instabilitäten an der Lithiumanodenoberfläche und unterdrückt die Dendritenkeimbildung, während die Batterie geladen wird.

Aus wem besteht die Forschungsgruppe am Berkeley Lab?

Zu den Forschern des Berkeley Lab gehörten neben mir die Postdoktoranden Chengyin Fu und Jinsoo Kim sowie der Bachelor-Forscher Andrew Ells.

Gibt es Anfragen von Automobil- oder Flugzeugherstellern zu Ihrer Erfindung?

Ja, gibt es. Das Berkeley Lab bespricht die Anfragen aber nicht öffentlich.

Die Anwendung ist nur dann wirklich alltagstauglich, wenn eine entsprechende Batterie auf den Markt gebracht wird. Wie sieht es denn hier aus?

Das Projekt, das diese Arbeit finanziert hat, arbeitet kontinuierlich an einer Markteinführung. Es sind auch Hersteller beteiligt, die jetzt schon Batterien für Elektrofahrzeuge und elektrische Flugzeuge herstellen.

An welchen nachhaltigen Energie- und Umweltlösungen arbeiten Sie noch?

Wir arbeiten in jeglichen Bereichen der Elektrifizierung, von der Batterieentwicklung bis zur chemischen Industrie.

Danke für dieses Interview, das wir schriftlich geführt haben.

Über Brett Helms, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Berkeley Lab

Brett A. Helms erhielt seinen BS (2000) vom Harvey Mudd College und seinen Ph.D. (2006) mit Jean MJ Fréchet an der University of California in Berkeley. Nach einem Postdoktorat an der Technischen Universität Eindhoven bei EW (Bert) Meijer kam er 2007 zu den Mitarbeitern der Molecular Foundry. 2015 war er Mitbegründer von Sepion Technologies, das neuartige Membranen für saubere Energietechnologien vermarktet. Das Forschungsprogramm von Dr. Helms widmet sich dem Verständnis und der Kontrolle des Transports in mesostrukturierten Systemen, die aus organischen, polymeren oder nanokristallinen Komponenten zusammengesetzt sind.

Brett Helms Porträt

Brett Helms forscht an der reichweitenstarken Batterie der Zukunft.

Foto: Brett Helms

Die Reichweite ist das wohl wichtigste Kriterium für ein gutes Elektroauto. Doch die Batterie muss dabei auch lange halten. Ein kniffliges Unterfangen. Die Forscher könnten jetzt den Weg für Hunderte Kilometer Fahrt ohne erneutes Aufladen gefunden haben. Wir bleiben für Sie an dem Thema dran.

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