Eine neue Art vonBatterie für ElektrofahrzeugeLaut einer aktuellen Studie können sie bei extremen Hitze- und Kältetemperaturen länger überleben.

Wissenschaftler sagen, dass die Batterien es Elektrofahrzeugen ermöglichen würden, bei kalten Temperaturen mit einer einzigen Ladung weiter zu fahren – und dass sie in heißen Klimazonen weniger anfällig für Überhitzung wären.

Dies würde zu weniger häufigem Laden für Fahrer von Elektrofahrzeugen führen und außerdem dieBatterienein längeres Leben.

Das amerikanische Forschungsteam hat eine neue Substanz entwickelt, die chemisch beständiger gegen extreme Temperaturen ist und sich daher besser für die Zugabe zu Lithium-Hochenergiebatterien eignet.

„Man braucht Hochtemperatur-Betrieb in Gebieten, in denen die Umgebungstemperatur dreistellige Werte erreichen kann und die Straßen noch heißer werden“, sagte der Hauptautor Professor Zheng Chen von der University of California-San Diego.

„Bei Elektrofahrzeugen befinden sich die Akkus typischerweise unter dem Fahrzeugboden, in unmittelbarer Nähe der heißen Straßen. Außerdem erwärmen sich die Akkus allein durch den Stromfluss während des Betriebs.“

„Wenn die Batterien diese Erwärmung bei hohen Temperaturen nicht vertragen, verschlechtert sich ihre Leistungsfähigkeit schnell.“

In einem am Montag in der Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlichten Artikel beschreiben die Forscher, wie die Batterien in Tests bei –40 Grad Celsius (–104 Grad Fahrenheit) bzw. 50 Grad Celsius (122 Grad Fahrenheit) 87,5 Prozent bzw. 115,9 Prozent ihrer Energiekapazität behielten.

Sie wiesen zudem eine hohe Coulomb-Effizienz von 98,2 bzw. 98,7 Prozent auf, was bedeutet, dass die Batterien mehr Ladezyklen durchlaufen können, bevor sie ihre Funktion einstellen.

Dies liegt an einem Elektrolyten, der aus Lithiumsalz und Dibutylether besteht, einer farblosen Flüssigkeit, die in einigen Herstellungsverfahren, beispielsweise bei Arzneimitteln und Pestiziden, verwendet wird.

Dibutylether ist hilfreich, weil seine Moleküle während des Betriebs der Batterie nicht so leicht mit Lithiumionen reagieren und so deren Leistung bei Minustemperaturen verbessern.

Außerdem ist Dibutylether bei seinem Siedepunkt von 141 Grad Celsius (285,8 Grad Fahrenheit) sehr hitzebeständig und bleibt auch bei hohen Temperaturen flüssig.

Das Besondere an diesem Elektrolyten ist, dass er mit einer Lithium-Schwefel-Batterie verwendet werden kann, die wiederaufladbar ist und eine Anode aus Lithium und eine Kathode aus Schwefel besitzt.

Anoden und Kathoden sind die Teile der Batterie, durch die der elektrische Strom fließt.

Lithium-Schwefel-Batterien stellen einen bedeutenden nächsten Schritt bei Batterien für Elektrofahrzeuge dar, da sie bis zu doppelt so viel Energie pro Kilogramm speichern können wie die derzeitigen Lithium-Ionen-Batterien.

Dies könnte die Reichweite von Elektrofahrzeugen verdoppeln, ohne deren Gewicht zu erhöhen.BatteriePacken und gleichzeitig die Kosten niedrig halten.

Schwefel ist zudem reichlicher vorhanden und verursacht an der Quelle weniger Umwelt- und Menschenleid als Kobalt, das in herkömmlichen Lithium-Ionen-Batteriekathoden verwendet wird.

Typischerweise gibt es bei Lithium-Schwefel-Batterien ein Problem: Die Schwefelkathoden sind so reaktiv, dass sie sich auflösen, wenn die Batterie in Betrieb ist, und dies verschlimmert sich bei höheren Temperaturen.

Und Lithiummetallanoden können nadelartige Strukturen, sogenannte Dendriten, bilden, die Teile der Batterie durchdringen und dadurch einen Kurzschluss verursachen können.

Daher halten diese Batterien nur bis zu einigen Dutzend Ladezyklen.

Der vom Team der UC San Diego entwickelte Dibutylether-Elektrolyt behebt diese Probleme, selbst bei extremen Temperaturen.

Die von ihnen getesteten Batterien wiesen eine deutlich längere Lebensdauer auf als eine typische Lithium-Schwefel-Batterie.

„Wenn man eine Batterie mit hoher Energiedichte haben will, muss man in der Regel sehr aggressive und komplizierte chemische Verfahren anwenden“, sagte Chen.

„Hohe Energie bedeutet, dass mehr Reaktionen stattfinden, was zu geringerer Stabilität und stärkerem Abbau führt.“

„Die Herstellung einer hochenergetischen und gleichzeitig stabilen Batterie ist an sich schon eine schwierige Aufgabe – dies über einen weiten Temperaturbereich hinweg zu erreichen, ist noch anspruchsvoller.“

„Unser Elektrolyt trägt zur Verbesserung sowohl der Kathoden- als auch der Anodenseite bei und bietet gleichzeitig eine hohe Leitfähigkeit und Grenzflächenstabilität.“

Das Team verbesserte zudem die Stabilität der Schwefelkathode durch Pfropfung auf ein Polymer. Dadurch wird verhindert, dass sich weiterer Schwefel im Elektrolyten löst.

Zu den nächsten Schritten gehört die Skalierung der Batteriechemie, damit sie bei noch höheren Temperaturen funktioniert und die Zyklenlebensdauer weiter verlängert wird.