Was ist nötig, um Elektrofahrzeuge schneller aufzuladen?

Um mehr Elektrofahrzeuge auf die Straße zu bringen, arbeiten diese Wissenschaftler daran, ein Auto in der gleichen Zeit aufzuladen, die es zum Auftanken an einer Tankstelle benötigt

Rebecca Heilweil

Elektrofahrzeuge sind leiser, einfacher zu reparieren und zu warten und weitaus umweltfreundlicher als herkömmliche Autos mit Verbrennungsmotor. Dennoch bleibt die Zahl der Elektrofahrzeuge auf der Straße hinter den Autos zurück, die sie ersetzen sollen, was teilweise auf die Ladezeiten zurückzuführen ist.

Während das Auftanken eines Benzintanks nur wenige Minuten dauert, dauert das Aufladen eines Elektrofahrzeugs deutlich länger. Derzeit können die schnellsten Ladegeräte, die den Verbrauchern zur Verfügung stehen und manchmal auch als Ladegeräte der Stufe 3 bezeichnet werden, eine Fahrzeugbatterie in nur 20 Minuten auf 80 Prozent aufladen. Aber die meisten verfügbaren (und erschwinglichen) Ladegeräte sind weitaus langsamer. Ladegeräte der Stufe 2 benötigen mehrere Stunden, um ein Fahrzeug aufzuladen, und Ladegeräte der Stufe 1, die an eine typische Heimsteckdose angeschlossen werden, können mehr als zwei Tage benötigen.

Diese langsamen Ladegeschwindigkeiten haben die „Reichweitenangst“ – die Sorge, dass die Batterien unterwegs leer werden könnten – nur noch verstärkt. Mehr als 50 Prozent der 500 Besitzer von Elektrofahrzeugen, die an einer von Forbes Wheels in Auftrag gegebenen OnePoll-Umfrage 2022 teilnahmen, gaben an, dass sie diese Sorge häufig oder immer haben. Während Verkehrsminister Pete Buttigieg die Idee zurückgewiesen hat, dass Autofahrer sich große Sorgen um die Reichweite machen sollten, bleibt dies eine große Hürde für potenzielle Käufer von Elektrofahrzeugen. Dies und die Tatsache, dass die Nachfrage nach Elektrofahrzeugen die Fähigkeit der Automobilhersteller, sie herzustellen, übersteigt, droht den Weg zur Elektrifizierung zu verlangsamen.

Wissenschaftler, darunter an Universitäten, bei großen Herstellern von Elektrofahrzeugen und im Energieministerium, glauben, dass Elektrofahrzeuge schneller starten könnten, wenn wir die Wissenschaft des Ladens an ihre Grenzen bringen. Sie argumentieren, dass eine Optimierung der internen Chemie von Elektrofahrzeugbatterien und des Designs von Ladekabeln dazu beitragen kann, dieses große Hindernis für die Einführung zu beseitigen. Die Herausforderung besteht darin, den Ladevorgang zu beschleunigen, ohne Kompromisse bei der Sicherheit oder der langen Lebensdauer der Batterie einzugehen. Ziel ist es, der Betankungszeit eines Verbrennungsfahrzeugs so nahe wie möglich zu kommen.

„Es gibt viele Innovationen auf der Seite der Elektrochemie, die sich noch im Labor befinden“, sagt Christopher Rahn, Co-Leiter des Battery and Energy Storage Technology Center an der Penn State University. „Sie könnten teurer sein [und] möglicherweise andere Herstellungsprozesse erfordern. Sie sind nicht unbedingt bereit, in großem Maßstab eingeführt zu werden, aber sicherlich haben viele Forscher einige aufregende Ergebnisse erzielt.“

Die grundlegende Herausforderung beim Laden liegt in der Elektrochemie von Batterien. Batterien sind mit zwei Elektroden ausgestattet: einer Anode und einer Kathode. Zwischen diesen beiden Komponenten fließen Lithiumionen. Wenn sich eine Batterie entlädt und ein Auto antreibt, wandern Lithiumionen von der Anode zur Kathode, wodurch freie Elektronen und elektrische Ladung erzeugt werden. Beim Laden des Fahrzeugs geschieht das Gegenteil und die Lithium-Ionen werden zurück zur Anode gedrückt.

Das Problem besteht darin, dass Lithium-Ionen im Inneren der Batterie einem kritischen Tempostoß ausgesetzt sind. Wenn sie sich zu schnell fortbewegen, bleiben sie stecken und können nicht in die Anode eindringen. Wenn sich Lithium-Ionen verfangen, stehen weniger Lithium-Ionen für die Ladung zur Verfügung, wodurch die Batterie weniger effektiv ist. Schlimmer noch: Wenn sich zu viele Lithium-Ionen ansammeln, kann die Batterie kurzschließen und möglicherweise einen Batteriebrand auslösen.

„Es stellt sich heraus, dass der Transport von Lithium ein bisschen so ist, als würde man 100 Menschen in einen engen Raum bringen“, sagt Venkat Srinivasan, Direktor des Argonne Collaborative Center for Energy Storage Science und stellvertretender Direktor des Joint Center for Energy Storage Research in Illinois. „Es gibt eine kleine Tür. Ich würde 100 Leute dazu bringen, sich durch die Tür zu drängen. Sie werden alle in dieser Tür stecken bleiben.“

Nun glauben einige, dass der Einsatz neuer Batteriechemien die Bewegung von Lithium-Ionen innerhalb einer Batteriezelle erleichtern könnte. Bei Argonne untersuchen Forscher, ob es möglich ist, mehrere Wege für die Bewegung von Lithium-Ionen innerhalb einer Batterie zu nutzen – und so den Andrang wesentlich zu reduzieren.Die Herausforderung besteht darin, diese Türen auf mikroskopischer Ebene zu entwerfen, erklärt Srinivasan.

Eine weitere Idee besteht darin, zu untersuchen, ob der Einsatz verschiedener Elektrolyte – der flüssigen Komponente, die für den Transport von Lithiumionen in den Batterien verwendet wird – sowie neuer Lösungsmittel und Additive den Ladevorgang beschleunigen könnte.

Natürlich ist der Wechsel der Batteriechemie ein äußerst mühsamer Prozess und erfordert umfangreiche Tests und Validierungen. Ein einfacher zu implementierender Ansatz besteht darin, die Software zu aktualisieren, die zur Verwaltung der Batterien während des Ladevorgangs verwendet wird. Derzeit werden Batterien mit einem konstanten Strom geladen, was dazu führt, dass die Ladegeschwindigkeit abnimmt, wenn die Batterie aufgeladen wird. Forscher am Idaho National Laboratory glauben, dass bessere Batteriealgorithmen das Laden beschleunigen könnten, indem sie den Stromfluss in die Batterie während des Ladevorgangs anpassen.

„Vielleicht halten Sie den Strom niedrig und erhöhen dann, wenn die Batterie etwa 30 Prozent Ladezustand erreicht, den Strom, da zu diesem Zeitpunkt der Innenwiderstand der Batterie niedrig ist“, erklärt Tanvir Tanim, leitender Wissenschaftler am Idaho National Labor. „Wenn es sich der Vollladung nähert, reduzieren Sie erneut die Rate.“

Einige zukunftsweisende Ladekonzepte gehen über die Batterie hinaus. Professor für Maschinenbau an der Purdue University Issam Mudawar untersucht, wie neue Kühltechnologie die Ladekabel von Elektrofahrzeugen verbessern könnte. Derzeit gehen Forscher davon aus, dass schneller ladende Elektrofahrzeuge Ladekabel benötigen würden, die weitaus mehr Ampere – die Einheit für elektrischen Strom – verarbeiten können, als dies bei heutigen Fahrzeugen der Fall ist. Die meisten Ladegeräte können heute etwa 500 Ampere liefern. Im Moment würde jeder zusätzliche Strom zu viel Wärme erzeugen.

Aber Mudawar, der zuvor mit Ford Motor Co. zusammengearbeitet hat, entwickelt ein System, das mithilfe spezieller Kühltechnologie mehr erreichen würde 2.400 Ampere – 1.400 Ampere Strom würden das Laden von Elektrofahrzeugen in fünf Minuten in greifbare Nähe rücken. Das System von Mudawar verwendet eine modifizierte Form eines flüssigen Kühlmittels, das seine Wurzeln in der von der NASA verwendeten Technologie hat. Anstatt ein reines flüssiges Kühlmittel zu verwenden, nutzt das System eine Form des Unterkühlungssiedens, das sich die Blasenbildung zunutze macht.

„Je höher der elektrische Strom, desto mehr Wärme wird abgeführt“, erklärt Mudawar. „Wenn man von sehr hohen Strömen spricht, um die fünfminütige Ladung zu erreichen, ist die Wärmemenge, die intern abgeführt werden muss, sehr groß.“

Für das superschnelle Laden von Elektrofahrzeugen wären mehr als nur erfolgreiche Labordemonstrationen erforderlich. Um zu funktionieren, müssten diese futuristischen Ladekonzepte irgendwann in großem Maßstab hergestellt werden, damit Fahrer während ihrer Fahrt problemlos darauf zugreifen können. Die Biden-Regierung hofft, bis zum Ende des Jahrzehnts landesweit 500.000 Ladegeräte für Elektrofahrzeuge installieren zu können, doch die Lieferkette für kritische Batteriekomponenten, darunter Kobalt und Nickel, ist bereits angespannt.

Und wenn das Superschnellladen tatsächlich zum Mainstream würde, müsste auch das Stromnetz erheblich modernisiert werden, wie Buttigieg bereits eingeräumt hat. Das Netz kann immer nur eine begrenzte Menge an Ladung liefern, und die Hinzufügung einer Flotte von Schnellladegeräten würde Geräte erfordern, die diese Kapazität bewältigen können. Im Moment ist das ein schwieriger Prozess, und selbst die Beschaffung einfacher Geräte wie Transformatoren kann eine Weile dauern.

Aber während superschnelle Ladegeräte für Elektrofahrzeuge im Idealfall das Erlebnis einer Zapfsäule nachahmen, müssten die meisten Ladegeräte nicht so schnell arbeiten. Die schnellsten Ladegeräte für Elektrofahrzeuge werden nur für Menschen benötigt, die viel unterwegs sind und nicht ihrem normalen Alltag nachgehen. Die Hoffnung besteht darin, dass langsamere Ladegeräte einen Großteil der schweren Arbeit übernehmen werden, die Autos des Landes aufgeladen zu halten und die Fahrzeuge aufzutanken, während sie in den Häusern der Menschen und auf Büroparkplätzen stehen.

„Wir alle müssen uns in der Gesellschaft daran erinnern, dass wir Autos fahren, um von A nach B zu kommen, und nicht, weil wir gerne zur Tankstelle gehen“, sagt Tim Pennington, leitender Forschungsingenieur in der Abteilung Energiespeicherung und fortschrittlicher Transport am Idaho National Labor. „Wir brauchen nicht jeden Tag eine Zehn-Minuten-Ladung.“

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Rebecca Heilweil | MEHR LESEN

Rebecca Heilweil ist Technologiejournalistin. Sie hat für Medien wie Fortune, den Philadelphia Inquirer und Vox geschrieben.