Warum Schnellladen der Tod von Batterien ist
Sie wollen das Öl wechseln, haben aber immer noch einen schwerwiegenden Fehler, über den die Hersteller schweigen.
Das Kohlezeitalter ist seit langem in Erinnerung geblieben. Auch die Ära des Öls geht zu Ende. Im dritten Jahrzehnt des XNUMX-Jahrhunderts leben wir eindeutig im Zeitalter der Batterien.
Ihre Rolle war IMMER von Bedeutung, seit Elektrizität in das menschliche Leben gelangt ist. Aber jetzt haben drei Trends die Energiespeicherung plötzlich zur wichtigsten Technologie auf dem Planeten gemacht.
Der erste Trend ist der Boom mobiler Geräte – Smartphones, Tablets, Laptops.Früher brauchten wir Batterien für Dinge wie Taschenlampen, Mobilfunkgeräte und tragbare Geräte – alle mit relativ begrenztem Nutzen. Heute hat jeder mindestens ein persönliches mobiles Gerät, das er fast ständig nutzt und das aus seinem Leben nicht mehr wegzudenken ist.
Der ZWEITE TREND ist die Nutzung erneuerbarer Energiequellen und die plötzliche Diskrepanz zwischen den Spitzen der Stromerzeugung und des Stromverbrauchs. Früher war es einfach: Wenn die Besitzer abends Herd und Fernseher anmachen und der Verbrauch stark ansteigt, müssen Betreiber von Blockheizkraftwerken und Kernkraftwerken einfach die Leistung erhöhen. Bei der Erzeugung aus Sonne und Wind ist dies jedoch unmöglich: Die Produktionsspitze tritt meistens zu einem Zeitpunkt auf, an dem der Verbrauch am niedrigsten ist. Energie muss also irgendwie gespeichert werden. Eine Option ist die sogenannte „Wasserstoffgesellschaft“, in der Strom in Wasserstoff umgewandelt wird und der Kraftstoff dann ins Netz und in Elektrofahrzeuge eingespeist wird. Aber die außerordentlich hohen Kosten für die notwendige Infrastruktur und die schlechten Erinnerungen der Menschheit an Wasserstoff (Hindenburg und andere) lassen dieses Konzept vorerst auf Eis liegen.
Die sogenannten "Smart Grids" kommen in den Köpfen der Marketingabteilungen vor: Elektroautos erhalten bei Spitzenproduktion überschüssige Energie und können diese gegebenenfalls wieder ins Netz einspeisen. Moderne Batterien sind für eine solche Herausforderung jedoch noch nicht bereit.
Eine weitere mögliche Antwort auf dieses Problem verspricht einen dritten Trend: den Ersatz von Verbrennungsmotoren durch batterieelektrische Fahrzeuge (BEVs). Eines der Hauptargumente für diese Elektrofahrzeuge ist, dass sie aktiv am Netz teilnehmen und den Überschuss aufnehmen können, um sie bei Bedarf zurückzugeben.
Jeder EV-Hersteller, von Tesla bis Volkswagen, verwendet diese Idee in seinen PR-Materialien. Keiner von ihnen erkennt jedoch, was den Ingenieuren schmerzlich klar ist: Moderne Batterien sind für solche Arbeiten nicht geeignet.
Die LITHIUM-ION-TECHNOLOGIE, die heute den Markt dominiert und von Ihrem Fitnessarmband bis zum schnellsten Tesla Model S reicht, hat viele Vorteile gegenüber älteren Konzepten wie Blei-Säure- oder Nickel-Metallhydrid-Batterien. Es hat aber auch einige Einschränkungen und vor allem eine Tendenz zum Altern.
Die meisten Menschen betrachten Batterien als eine Art Röhre, in die Elektrizität irgendwie "fließt". In der Praxis speichern Batterien jedoch keinen Strom für sich. Sie verwenden es, um bestimmte chemische Reaktionen auszulösen. Dann können sie die gegenteilige Reaktion starten und ihre Ladung wiedererlangen.
Bei Lithium-Ionen-Batterien sieht die Reaktion mit der Freisetzung von Elektrizität folgendermaßen aus: Lithiumionen werden an der Anode in der Batterie gebildet. Dies sind Lithiumatome, von denen jedes ein Elektron verloren hat. Die Ionen bewegen sich durch den flüssigen Elektrolyten zur Kathode. Und die freigesetzten Elektronen werden durch einen Stromkreis geleitet und liefern die Energie, die wir brauchen. Wenn der Akku zum Laden eingeschaltet wird, wird der Vorgang umgekehrt und die Ionen werden zusammen mit den verlorenen Elektronen gesammelt.
"Überwachsen" mit Lithiumverbindungen kann einen Kurzschluss verursachen und die Batterie entzünden.
Leider hat die HOHE REAKTIVITÄT, die Lithium so geeignet für die Herstellung von Batterien macht, einen Nachteil – es neigt dazu, an anderen, unerwünschten chemischen Reaktionen teilzunehmen. Auf der Anode bildet sich daher nach und nach eine dünne Schicht aus Lithiumverbindungen, die die Reaktionen stört. Und damit nimmt die Batteriekapazität ab. Je intensiver geladen und entladen wird, desto dicker wird diese Beschichtung. Manchmal kann es sogar sogenannte "Dendriten" - denken Sie an Stalaktiten aus Lithiumverbindungen - freisetzen, die sich von der Anode bis zur Kathode erstrecken und, wenn sie diese erreichen, einen Kurzschluss verursachen und die Batterie entzünden können.
Jeder Lade- und Entladezyklus verkürzt die Lebensdauer des Lithium-Ionen-Akkus. Doch das neuerdings angesagte Schnellladen mit Drehstrom beschleunigt den Vorgang deutlich. Für Smartphones stellt das keine große Hürde dar, für Hersteller wollen sie die Nutzer ohnehin alle zwei bis drei Jahre zum Gerätewechsel zwingen, aber Autos sind ein Problem.
Um die Verbraucher zum Kauf von Elektrofahrzeugen zu bewegen, müssen die Hersteller sie auch mit Schnelllademöglichkeiten locken. Schnelle Stationen wie Ionity sind jedoch nicht für den täglichen Gebrauch geeignet.
DIE KOSTEN DER BATTERIE belaufen sich auf ein weiteres Drittel und liegen sogar über dem Gesamtpreis eines heutigen Elektroautos. Um ihre Kunden davon zu überzeugen, dass sie keine tickende Bombe kaufen, gewähren alle Hersteller eine gesonderte, längere Akkugarantie. Gleichzeitig setzen sie auf schnelleres Laden, um ihr Auto für Langstrecken attraktiv zu machen. Bis vor kurzem arbeiteten die schnellsten Ladestationen mit 50 Kilowatt. Aber der neue Mercedes EQC kann mit bis zu 110 kW aufgeladen werden, der Audi e-tron mit bis zu 150 kW, wie es europäische Ionity-Ladestationen bieten, und Tesla bereitet sich darauf vor, die Messlatte noch höher zu legen.
Diese Hersteller geben schnell zu, dass durch schnelles Laden die Batterien zerstört werden. Stationen wie Ionity eignen sich eher für Notfälle, wenn die Person einen langen Weg zurückgelegt hat und wenig Zeit hat. Andernfalls ist es ein kluger Ansatz, den Akku zu Hause langsam aufzuladen.
Wie geladen und entladen es ist, ist auch wichtig für seine Lebensdauer. Daher empfehlen die meisten Hersteller nicht, Gebühren über 80% und unter 20% zu erheben. Bei diesem Ansatz verliert ein Lithium-Ionen-Akku durchschnittlich etwa 2 Prozent seiner Kapazität pro Jahr. Somit kann es 10 Jahre oder bis zu etwa 200 km dauern, bevor seine Leistung so stark abfällt, dass es in einem Auto unbrauchbar wird.
Schließlich hängt die BATTERIELEBENSDAUER natürlich von seiner einzigartigen chemischen Zusammensetzung ab. Es ist von Hersteller zu Hersteller unterschiedlich und in vielen Fällen so neu, dass nicht einmal bekannt ist, wie es im Laufe der Zeit altert. Mehrere Hersteller versprechen bereits eine neue Batteriegeneration mit einer Lebensdauer von 1.6 Millionen Kilometern. Laut Elon Musk arbeitet Tesla an einem davon. Das chinesische Unternehmen CATL, das Produkte an BMW und ein halbes Dutzend anderer Unternehmen liefert, hat zugesagt, dass seine nächste Batterie 16 Jahre oder 2 Millionen Kilometer hält. Auch General Motors und LG Chem aus Korea entwickeln ein ähnliches Projekt. Jedes dieser Unternehmen hat seine eigenen Technologielösungen, die sie in der Praxis ausprobieren möchten. GM zum Beispiel wird innovative Materialien verwenden, um das Eindringen von Feuchtigkeit in Batteriezellen zu verhindern, die die Hauptursache für die Ablagerung von Lithium an der Kathode ist. Die CATL-Technologie fügt der Nickel-Kobalt-Mangan-Anode Aluminium hinzu. Dies reduziert nicht nur den Bedarf an Kobalt, dem derzeit teuersten dieser Rohstoffe, sondern erhöht auch die Batterielebensdauer. Das hoffen zumindest die chinesischen Ingenieure. Potenzielle Kunden freuen sich zu erfahren, ob eine Idee in der Praxis funktioniert.
