Forscher der Penn State sagen, dass sie einen Weg gefunden haben, Batterien für Elektroautos herzustellen, die kleiner sein können – was die wertvollen Ressourcen schont, die derzeit massive Preissteigerungen erleben – und schneller aufgeladen werden – was die Besorgnis vieler Menschen ausräumt, dass das Aufladen eines Elektroautos auch erforderlich ist lang. Die Forschung wurde am 12. Oktober in der Zeitschrift veröffentlicht Natur.
Wissenschaftliche Forschungsberichte sind selten eine leichte Lektüre, aber die Zusammenfassung der Studie enthält genügend wichtige Details, sodass es sich lohnt, sie mit Ihnen zu teilen.
Lithium-Ionen-Batterien mit nickelreichen geschichteten Oxidkathoden und Graphitanoden haben spezifische Energien von 250–300 Wh kg erreicht, und es ist jetzt möglich, ein 90-kWh-Elektrofahrzeugpaket mit einer Reichweite von 300 Meilen zu bauen. Leider ist die Verwendung solch massiver Batterien zur Linderung der Reichweitenangst für die allgemeine Einführung von Elektrofahrzeugen aufgrund des begrenzten Rohmaterialangebots und der unerschwinglich hohen Kosten unwirksam.
Zehnminütiges Schnellladen ermöglicht die Verkleinerung von EV-Batterien für Erschwinglichkeit und Nachhaltigkeit, ohne Reichweitenangst zu verursachen. Allerdings bleibt das schnelle Laden von energiedichten Batterien (mehr als 250 Wh kg oder mehr als 4 mAh cm) eine große Herausforderung. Hier kombinieren wir einen materialunabhängigen Ansatz, der auf asymmetrischer Temperaturmodulation basiert, mit einem thermisch stabilen Zweisalzelektrolyten, um das Aufladen einer 265-Wh-kg-Batterie auf 75 % (oder 70 %) des Ladezustands in 12 (oder 11) Minuten für mehr als 900 Minuten zu erreichen (oder 2.000) Zyklen.
Dies entspricht einer Reichweite von einer halben Million Meilen, in der jede Ladung eine Schnellladung ist. Darüber hinaus haben wir einen digitalen Zwilling eines solchen Batteriepakets gebaut, um seine Kühlung und Sicherheit zu bewerten und zu demonstrieren, dass das thermisch modulierte 4C-Laden nur Luftkonvektion erfordert. Dies bietet einen kompakten und eigensicheren Weg zur Cell-to-Pack-Entwicklung. Die schnelle thermische Modulationsmethode, um hochaktive elektrochemische Grenzflächen nur während des Schnellladens zu erzielen, hat ein wichtiges Potenzial, um sowohl Stabilität als auch schnelles Laden von Materialien der nächsten Generation zu realisieren, einschließlich Anoden wie Silizium und Lithiummetall.
Nun, das ist sicherlich eine mit Fachjargon gefüllte Darstellung. Mal sehen, ob wir einige der Implikationen dieser Forschung auf der Grundlage einer Pressemitteilung von entpacken können Pennsylvania und ein Bericht von Zeit. Zuerst die Erklärung von der Uni.
„Der Bedarf an kleineren, schneller aufladbaren Batterien ist größer denn je“, sagte Chao-Yang Wang, der Hauptautor der Studie. „Es gibt einfach nicht genug Batterien und kritische Rohstoffe, insbesondere solche aus heimischer Produktion, um die erwartete Nachfrage zu decken.“ [The reference to domestic production is especially relevant now that the Inflation Reduction Act has tied EV incentives to cars manufactured in America using materials sourced from North America or certain trading partners.]
Bis 2035 der größte Automarkt der USA [California] wird den Verbrennungsmotor effektiv ausmustern, heißt es in der Pressemitteilung. Wenn der Verkauf von Neuwagen auf batterieelektrische Fahrzeuge umgestellt werden soll, müssen sie zwei große Nachteile überwinden. Erstens sind sie zu langsam zum Aufladen. Zweitens sind sie zu groß, um effizient und erschwinglich zu sein.
„Unsere Schnellladetechnologie funktioniert für die meisten energiedichten Batterien und wird eine neue Möglichkeit eröffnen, die Batterien von Elektrofahrzeugen von 150 auf 50 kWh zu verkleinern, ohne dass die Fahrer Reichweitenangst verspüren“, sagte Wang. „Die kleineren, schneller aufladbaren Batterien werden die Batteriekosten und den Verbrauch kritischer Rohstoffe wie Kobalt, Graphit und Lithium drastisch senken und die Masseneinführung erschwinglicher Elektroautos ermöglichen.“
Die Technologie basiert auf interner Thermomodulation, einer aktiven Methode der Temperaturregelung, um die bestmögliche Leistung von der Batterie zu fordern. Batterien arbeiten am effizientesten, wenn sie heiß, aber nicht zu heiß sind. Batterien konstant auf genau der richtigen Temperatur zu halten, war eine große Herausforderung für Batterieingenieure. In der Vergangenheit haben sie sich auf externe, sperrige Heiz- und Kühlsysteme verlassen, um die Batterietemperatur zu regulieren, die langsam reagieren und viel Energie verschwenden, sagte Wang.
Stattdessen entschied sich das Team dafür, die Temperatur im Inneren der Batterie zu regulieren. Die Forscher entwickelten eine neue Batteriestruktur, die neben Anode, Elektrolyt und Kathode als vierte Komponente eine ultradünne Nickelfolie hinzufügt. Die Nickelfolie wirkt als Stimulus und reguliert die Temperatur und Reaktivität der Batterie selbst, was ein 10-minütiges Schnellladen bei fast jeder EV-Batterie ermöglicht, erklärte Wang.
„Echte Schnellladebatterien hätten unmittelbare Auswirkungen“, schreiben die Forscher. „Da es nicht genug Rohmineralien gibt, um jedes Auto mit Verbrennungsmotor durch ein mit 150 kWh ausgestattetes Elektrofahrzeug zu ersetzen, ist schnelles Laden unerlässlich, damit Elektrofahrzeuge zum Mainstream werden.“
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Bildnachweis: Penn State
Aufmerksame Leser werden sofort bemerken, dass 150-kWh-Batterien nicht wirklich die Norm für Elektroautos sind, es sei denn, wir sprechen von Giganten wie dem Ford F-150 Lightning oder dem Hummer EV von GM. Die typische Batteriegröße für ein normales Elektrofahrzeug scheint heute zwischen 60 kWh und 80 kWh zu liegen – die Hälfte der Größe, von der Professor Wang spricht. Dennoch wären Batterien, die mit weniger mehr leisten, eine willkommene Neuigkeit, insbesondere wenn es darum geht, Elektrofahrzeuge erschwinglicher zu machen.
Zeit erklärt es so. „Die Technologie kann für jede Batteriegröße funktionieren, aber der vielleicht größte Vorteil besteht darin, dass sie es Autoherstellern ermöglichen wird, Elektrofahrzeuge mit kleineren Batterien zu verkaufen, ohne die Reichweitenangst der Verbraucher auszulösen. Je schneller ein Akku aufgeladen werden kann, desto weniger Bedarf besteht an großen Akkupacks mit großer Reichweite, da das Anhalten zum Aufladen nicht weniger umständlich ist als der Gang zur Tankstelle. Und kleinere Batteriepakete bedeuten auch billigere Elektrofahrzeuge.“
Er weist darauf hin, dass Professor Wang seit mehreren Jahrzehnten in der Batterieforschung tätig ist und zur Entwicklung des EV1, des bahnbrechenden Elektroautos von GM, beigetragen hat. Wir haben bereits 2019 über seine Forschung berichtet, die zeigt, wie lange es dauert, bis neue Ideen den Weg aus dem Labor in die Produktion finden. Wang ist CTO von EC Power, das die Kommerzialisierung der neuen Technologie für Batterien anstrebt. Es baut eine Fabrik zur Herstellung der neuen Batterien, damit sie an Hersteller von Elektrofahrzeugen vertrieben werden können, um ihre Eignung für Serienfahrzeuge zu validieren. Es sollte beachtet werden, dass StoreDot, ein israelisches Startup, auch sagt, dass es an Batterien arbeitet, die in 10 Minuten oder weniger aufgeladen werden können.
Das wegnehmen
Vielleicht halten die neuen Batterien von EC Power tatsächlich wie versprochen und es kommt zu einem Paradigmenwechsel in der Welt der Elektroautos. Während schnelles Laden sicherlich wünschenswert ist, könnte der Wegfall von sperrigen – und teuren – Flüssigkeitskühlsystemen für Batteriepacks genauso wichtig sein, weil es dazu beitragen würde, die Kosten von Elektroautos zu senken.
Wer weiß? Es könnte auch dem von NIO, CATL und BYD geförderten Batteriewechsel einen Schub geben, da es keine Kühlmittelleitungen zum Anschließen und Trennen geben wird. Der Einbau einer voll aufgeladenen Batterie anstelle einer entladenen ist nicht nur schnell, sondern beseitigt auch alle Bedenken des Besitzers über die Batterieverschlechterung – ein Thema, das viele Menschen beschäftigt, die den Kauf eines Elektroautos in Betracht ziehen.
Das Ergebnis ist, dass die EV-Revolution voranschreitet und es viele Innovationen auf dem Weg geben wird, so wie es viele Innovationen auf dem Weg gab, als benzinbetriebene Autos an Popularität gewannen. Denken Sie nur daran, wie der Selbststarter das Fahrerlebnis verändert hat! Es sind aufregende Zeiten und es passiert viel hinter den Kulissen.
Der Legende nach sagte der Leiter des US-Patentamts am 31. Dezember 1899 den Menschen: „Alles, was erfunden werden kann, wurde jetzt erfunden.“ Allen, die die EV-Revolution gerne schneller voranschreiten sehen möchten, können wir nur diesen Rat geben: „Geduld, Heuschrecke.“
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