Neues Akku-Material 31.01.2024, 07:00 Uhr

Diese Batterie lädt in nur fünf Minuten!

Forschende der Cornell University haben einen Lithium-Ionen-Akku entwickelt, der sich rekordverdächtig schnell auflädt. Trotzdem behält er bei längeren Lade- und Entladezyklen eine stabile Leistung.

Elektroauto beim Laden

Schnell fahren und schnell laden? Das könnte bald Realität sein.

Foto: panthermedia.net/Fahroni (YAYMicro)

Lithium-Ionen-Akkus werden für viele Anwendungen benötigt, aber in kaum einen Bereich diskutieren die Nutzer so viel über Kapazität und Ladezeiten wie bei der Elektromobilität. Grund ist die sogenannte Reichweitenangst: Viele Autofahrer und Autofahrerinnen scheuen davor zurück, sich ein E-Auto anzuschaffen, weil sie damit nicht mal eben an eine Tankstelle fahren können. Zwar wird die Ladeinfrastruktur intensiv ausgebaut, aber eine passende Steckdose reicht nicht, es muss auch genug Zeit vorhanden sein, um den Ladevorgang abzuwarten. Schnellladesäule stellen in dieser Hinsicht bereits eine erhebliche Verbesserung dar, aber ein Forschungsteam der Cornell University in New York verspricht noch mehr. Die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen haben eine neue Material-Alternative ausprobiert – und erstaunliche Ladezeiten erreicht. Die ersten Ergebnisse ihres Projektes „Fast-Charge, Long-Duration Storage in Lithium Batteries“ haben sie jetzt vorgestellt.

„Wenn man eine Batterie für ein Elektroauto in fünf Minuten aufladen kann, braucht man keinen Akku, der eine Reichweite von 500 Kilometern bietet“, sagt Lynden Archer, Professor für Ingenieurwissenschaften und Dekan des Cornell College of Engineering. Er leitet das Projekt. Solch eine Entwicklung würde auch bedeuten, dass Fahrzeug-Modelle mit kleinen Akkus denkbar wären, zu einem erheblich günstigeren Preis.

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Spezielle Eigenschaften verkürzen die Ladezeit der neuen Batterie

Das Geheimnis der kurzen Batterie-Ladezeiten heißt Indium. Dieses weiche Metall wird normalerweise unter anderem dafür verwendet, Indiumzinnoxid-Beschichtungen für Touchscreen-Displays und Solarzellen herzustellen.

Die Forschenden haben festgestellt, dass dieses Material zwei entscheidende Eigenschaften hat, wenn es als Batterieanode zum Einsatz kommt: Zum einen ist seine Migrationsenergiebarriere extrem niedrig – dabei handelt es sich um die Geschwindigkeit, mit der Ionen im festen Zustand diffundieren. Zum anderen ist die Austauschstromdichte gering. Sie bestimmt die Geschwindigkeit, mit der Ionen in der Anode reduziert werden. Die Kombination dieser Eigenschaften ist eine wichtige Voraussetzung, um Batterien zu entwickeln, die sich schnell aufladen und trotzdem die Energie lange speichern können.

Kombination mit kabelloser Induktionsladung denkbar

Für eine neue Generation von Akkus reicht das aber nicht aus. „Die wichtigste Innovation besteht darin, dass wir ein Konstruktionsprinzip entdeckt haben, das es den Metallionen an einer Batterieanode ermöglicht, sich frei zu bewegen, die richtige Konfiguration zu finden und erst dann an der Ladungsspeicherungsreaktion teilzunehmen“, sagt Archer.

Im Ergebnis befände sich die Elektrode nach Aussage des Forschers bei jedem Ladezyklus in einem stabilen morphologischen Zustand. „Das ist genau das, was unseren neuen Schnellladebatterien die Fähigkeit verleiht, sich über Tausende von Zyklen hinweg wiederholt zu laden und zu entladen.“

Archers Ziel ist noch etwas weiter gesteckt: Solch eine Akku-Technologie möchte er mit kabelloser Induktionsladung auf der Straße kombinieren. Das würde Größe und die Kosten der Batterien weiter verringern.

Nachteil der Batterie ist ihr Gewicht

Bis dahin ist es allerdings noch ein weiter Weg, denn Indium hat als Batterie-Material einen großen Nachteil: Es ist schwer. Für Archer ist es daher nicht der Idealkandidat für Lithium-Ionen-Akkus. Trotzdem betrachtet er die aktuellen Ergebnisse als einen extrem wichtigen Schritt. „Darin liegt eine Chance für die chemische Computermodellierung, vielleicht unter Verwendung von generativen KI-Tools.“ Auf diese Weise könnten die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen herausfinden, welche Materialien ähnliche Werte aufweisen. „Gibt es beispielsweise Metalllegierungen, die wir noch nie untersucht haben und die ebenfalls die gewünschten Eigenschaften aufweisen?“, fragt Archer.

Für ihn ist klar: Der Forschungswelt steht jetzt ein allgemeines Prinzip zur Verfügung, das es jedem ermöglicht, eine bessere Batterie zu entwickeln, die schnellere Ladegeschwindigkeiten erreicht, als es bisher der Fall war.

Ein Beitrag von:

  • Nicole Lücke

    Nicole Lücke macht Wissenschaftsjournalismus für Forschungszentren und Hochschulen, berichtet von medizinischen Fachkongressen und betreut Kundenmagazine für Energieversorger. Sie ist Gesellschafterin von Content Qualitäten. Ihre Themen: Energie, Technik, Nachhaltigkeit, Medizin/Medizintechnik.

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