Das Geheimnis für eine lange Lebensdauer von Akkus liegt möglicherweise in der Berücksichtigung von Unterschieden. Neue Modelle zur Degradation von Lithium-Ionen-Zellen in einem Akkupack zeigen einen Weg auf, den Ladevorgang an die Kapazität jeder einzelnen Zelle anzupassen, sodass Elektrofahrzeugbatterien mehr Ladezyklen bewältigen und Ausfälle hinausgezögert werden können.

Die Forschungsergebnisse wurden am 5. November veröffentlicht.IEEE Transactions on Control Systems TechnologyDie Abbildung zeigt, wie die aktive Steuerung des Stromflusses zu jeder einzelnen Zelle eines Akkupacks – anstatt einer gleichmäßigen Ladungsverteilung – den Verschleiß minimieren kann. Dieser Ansatz ermöglicht es jeder Zelle, ihre optimale und längste Lebensdauer zu erreichen.

Laut Simona Onori, Professorin an der Stanford University und leitende Studienautorin, deuten erste Simulationen darauf hin, dass mit der neuen Technologie betriebene Batterien mindestens 20 % mehr Lade-Entlade-Zyklen bewältigen könnten, selbst bei häufigem Schnellladen, das die Batterie zusätzlich belastet.

Bisherige Bemühungen zur Verlängerung der Lebensdauer von Elektroauto-Batterien konzentrierten sich hauptsächlich auf die Verbesserung von Design, Materialien und Fertigung einzelner Zellen. Dies basierte auf der Annahme, dass ein Akkupack – wie die Glieder einer Kette – nur so gut ist wie seine schwächste Zelle. Die neue Studie geht von der Erkenntnis aus, dass Schwachstellen zwar unvermeidbar sind – bedingt durch Fertigungsungenauigkeiten und die unterschiedliche Alterung der Zellen unter Belastungen wie Hitze –, sie aber nicht zwangsläufig den gesamten Akku lahmlegen müssen. Der Schlüssel liegt darin, die Laderate an die individuelle Kapazität jeder Zelle anzupassen, um Ausfälle zu vermeiden.

„Werden Zell-zu-Zell-Unterschiede nicht adäquat behandelt, können sie die Lebensdauer, den Zustand und die Sicherheit eines Akkupacks beeinträchtigen und zu vorzeitigen Funktionsstörungen führen“, so Onori, Assistenzprofessor für Energietechnik an der Stanford Doerr School of Sustainability. „Unser Ansatz gleicht die Energie in jeder Zelle des Akkupacks aus, sodass alle Zellen gleichmäßig den angestrebten Ladezustand erreichen und die Lebensdauer des Akkupacks verlängert wird.“

Inspiriert vom Ziel, eine Batterie mit einer Million Meilen Laufleistung zu bauen

Ein Teil des Anstoßes für die neue Forschung geht auf eine Ankündigung des Elektroautoherstellers Tesla aus dem Jahr 2020 zurück, in der er die Entwicklung einer „Millionen-Meilen-Batterie“ ankündigte. Dabei handelt es sich um eine Batterie, die ein Auto (bei regelmäßigem Laden) eine Million Meilen oder mehr weit antreiben kann, bevor der Punkt erreicht ist, an dem – ähnlich wie bei der Lithium-Ionen-Batterie eines alten Handys oder Laptops – die Batterie des Elektrofahrzeugs zu wenig Ladung enthält, um noch funktionsfähig zu sein.

Eine solche Batterie würde die übliche Garantie der Autohersteller für Elektrofahrzeugbatterien von acht Jahren oder 160.000 Kilometern deutlich übertreffen. Obwohl Akkus in der Regel länger halten als die Garantiezeit, könnte das Vertrauen der Verbraucher in Elektrofahrzeuge gestärkt werden, wenn teure Akkutausche noch seltener würden. Eine Batterie, die auch nach Tausenden von Ladezyklen noch Ladung hält, könnte zudem die Elektrifizierung von Fernverkehrs-Lkw und die Einführung sogenannter Vehicle-to-Grid-Systeme erleichtern, bei denen Elektrofahrzeugbatterien erneuerbare Energie speichern und ins Stromnetz einspeisen.

„Später wurde erklärt, dass das Konzept der ‚Millionen-Meilen-Batterie‘ keine wirklich neue chemische Zusammensetzung aufwies, sondern lediglich eine Betriebsweise, bei der die Batterie nicht ihren vollen Ladebereich ausnutzt“, sagte Onori. Verwandte Forschungen konzentrierten sich auf einzelne Lithium-Ionen-Zellen, die im Allgemeinen nicht so schnell an Ladekapazität verlieren wie komplette Akkupacks.

Neugierig geworden, beschlossen Onori und zwei Forscher aus ihrem Labor – der Postdoktorand Vahid Azimi und der Doktorand Anirudh Allam – zu untersuchen, wie eine innovative Nutzung bestehender Batterietypen die Leistung und Lebensdauer eines kompletten Batteriepacks, der Hunderte oder Tausende von Zellen enthalten kann, verbessern könnte.

Ein hochpräzises Batteriemodell

Als ersten Schritt entwickelten die Forscher ein hochpräzises Computermodell des Batterieverhaltens, das die physikalischen und chemischen Veränderungen, die während der Betriebsdauer einer Batterie stattfinden, genau abbildet. Einige dieser Veränderungen vollziehen sich innerhalb von Sekunden oder Minuten, andere über Monate oder sogar Jahre.

„Soweit wir wissen, hat bisher keine Studie ein so hochpräzises Batteriemodell mit mehreren Zeitskalen wie unseres verwendet“, sagte Onori, Direktor des Stanford Energy Control Lab.

Simulationen mit dem Modell legten nahe, dass ein moderner Akku durch die Berücksichtigung der Unterschiede zwischen seinen einzelnen Zellen optimiert und gesteuert werden kann. Onori und Kollegen gehen davon aus, dass ihr Modell in den kommenden Jahren die Entwicklung von Batteriemanagementsystemen leiten wird, die sich problemlos in bestehende Fahrzeugkonstruktionen integrieren lassen.

Nicht nur Elektrofahrzeuge profitieren davon. Praktisch jede Anwendung, die den Akku stark beansprucht, könnte laut Onori von einem optimierten Management auf Basis der neuen Ergebnisse profitieren. Ein Beispiel? Drohnenähnliche Flugzeuge mit elektrischem Senkrechtstart und -landung, sogenannte eVTOLs, die einige Unternehmer im Laufe des nächsten Jahrzehnts als Lufttaxis und für andere urbane Luftmobilitätsdienste einsetzen wollen. Doch auch andere Anwendungsbereiche für wiederaufladbare Lithium-Ionen-Akkus sind vielversprechend, darunter die allgemeine Luftfahrt und die großflächige Speicherung erneuerbarer Energien.

„Lithium-Ionen-Batterien haben die Welt bereits in vielerlei Hinsicht verändert“, sagte Onori. „Es ist wichtig, dass wir aus dieser bahnbrechenden Technologie und ihren zukünftigen Nachfolgern so viel wie möglich herausholen.“