Fortschritte mit Batterien

Ein Akku für die sibirische Kälte

Von Manfred Lindinger
 - 12:45

Lithium-Ionen-Akkus gelten als Kraftpakete unter den wiederaufladbaren Batterien. Sie haben ein vergleichsweise geringes Gewicht und weisen eine hohe Energiedichte auf. Man findet sie seit langem in kompakter Bauweise in Notebooks, Handys, Digitalkameras oder Akkuschraubern. Sie stecken inzwischen in fast jedem Elektroauto und E-Bike und versorgen die Elektromotoren mit elektrischem Strom. Zu schaffen machen den Stromquellen die kalten Wintertage, wenn die Temperaturen weit unter Null Grad fallen. Dann verlieren die Akkus beträchtlich an Leistung: Kapazität und Spannung sinken. Der Grund: Der flüssige Elektrolyt wird zäher und erstarrt, was seine Leitfähigkeit verringert.

Die Lithiumionen wandern dann langsamer von der Kathode zur Anode und umgekehrt. Bei minus 20 Grad beträgt die Kapazität einer herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus noch 50 Prozent, bei minus 40 Grad sogar nur 12 Prozent. In den polaren Regionen sind Lihium-Ionen-Akkus praktisch nicht zu gebrauchen, es sei denn man versieht sie mit einer Heizung oder einer Wärmeisolation, was allerdings das Gewicht erhöht.

Die bisherigen Ansätze, Lithium-Ionen-Batterien tauglicher für frostige Temperaturen zu machen, beruhten meist auf der Beimischung von Additiven zum Elektrolyten. Einzig ein bei Raumtemperatur gasförmiger Elektrolyt behält einen großen Teil seiner Leitfähigkeit bei minus 60 Grad, da er flüssig bleibt. Allerdings benötigt man wegen des Gasdrucks Stahlgehäuse für die Batterie, was ebenfalls das Gewicht erhöht.

Organisches Kältemittel

Eine wiederaufladbare Batterien, die extremer Kälte trotzen kann, präsentieren nun chinesische Wissenschaftler in der Zeitschrift „Joule“. Die Forscher um Yongyao Xia von der Fudan Universität in Schanghai haben einen Lithium-Ionen-Akku gebaut, der bei minus 70 Grad immerhin noch 70 Prozent seiner ursprünglichen Kapazität besitzt. Um ihre Stromquelle kälteresistent zu machen, verwenden Yongyao Xia und seine Kollegen als Elektrolyten ein Gemisch aus einem Lithiumsalz und Ethyl-Acetat. Das organische Lösungsmittel besitzt einen Gefrierpunkt von minus 84 Grad. Der Elektrolyt bleibt deshalb noch bei tiefen Temperaturen flüssig und damit leitfähig.

Als Kathode und Anode dienen zwei solide Polymere, die auch bei größer Kälte Lithium-Ionen schnell aufnehmen und abgeben können. Die Kohlenwasserstoffketten lagern anders als gängige Elektrodenmaterialien keine Lithium–Ionen in ihrem Inneren ein, was den Lade- und Entladeprozess verlangsamt, wenn die Temperatur sinkt. Die Ladungen bleiben an der Oberfläche und können von dort aus leichter und schneller abfließen.

Stromquelle für den Kaltstart

Die Forscher haben Prototypen ihrer organischen Lithium-Ionen-Batterie in einer Kältekammer getestet. Das Ergebnis ist überzeugend: Der Akku behielt bei minus 40 Grad fast hundert Prozent seiner Kapazität. Bei minus 70 Grad waren es immerhin noch 70 Prozent.

Die organischen Akkus haben nach Aussagen der Forscher noch weitere Vorteile: Die organischen Komponenten seien verglichen mit den Übergangsmetallen, die man üblicherweise als Elektrodenmaterial verwendet, günstig und umweltschonend zu produzieren – und besser verfügbar. Die organischen Elektroden würden auch nur rund ein Drittel so viel kosten wie die Elektroden in den konventionellen Lithium-Ionen-Akkus.

Die organischen Batterien haben allerdings noch einen schwerwiegenden Nachteil. Die Energiedichte ist geringer als bei konventionelle Lithium-Ionen-Akkus – sie bewegt sich in etwa im Bereich von Bleibatterien. Die organischen Stromquellen sind für viele Anwendungen und den Langzeitgebrauch damit zu schwach. Xia und seine Kollegen halten die kältetoleranten Akkus aber gut geeignet, um bei einem Kaltstart den nötigen Strom zu liefern.

Quelle: FA.Z.net, Joule, mli
Manfred Lindinger
Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.
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