Trick beim Akku-Laden bringt 50 Prozent längere Haltbarkeit

Interessant dabei: Es geht hier nicht um den neuen Wunderakku. Es müssen also nicht der Aufbau von Zellchemie, Zellen, die gesamte Batterie oder auch der Produktionsprozess verändert werden. Lediglich der letzte Schritt in der Fertigung ist betroffen: das erste Aufladen des fertigen Akkus, auch "Formierung" genannt. Bisher war es gängige Praxis, die Formierung mit niedriger Spannung durchzuführen.

Bei dem kalifornischen Forschungsprojekt wurde diese erste Aufladung mit hoher Spannung vollzogen. Wie hoch, wird nicht berichtet. Jedenfalls erhöhe sich dadurch die Lebensdauer des neuen Akkus um 50 Prozent, stellten die Wissenschaftler fest. Ein Energiespeicher, der für 2000 Ladezyklen konzipiert wurde, kann folglich 3000 Ladezyklen überstehen.

Hintergrund: Die positive Elektrode einer neuen Batterie ist zu 100 Prozent mit Lithium gefüllt. Jedes Mal, wenn die Batterie einen Lade- und Entladezyklus durchläuft, wird ein Teil dieses Lithiums deaktiviert. So altert der Akku. Die Minimierung dieser Verluste verlängert umgekehrt die Lebensdauer der Batterie. Die Forscher fanden nun heraus, dass beim ersten Laden mit hoher Spannung ebenfalls Lithium-Ionen deaktiviert werden. Doch damit entsteht zusätzlicher Platz in der positiven Elektrode, um mehr aufgeladene Ionen aus der negativen Elektrode zu speichern. Das steigert die Effizienz beim Auf- und Entladen.

"Das Entfernen von mehr Lithium-Ionen ist ein bisschen so, als würde man Wasser aus einem vollen Eimer schöpfen, bevor man ihn trägt", sagt der Projektteilnehmer Xiao Cui. Der zusätzliche Freiraum im Eimer verringert die Menge des Wassers, die auf dem Weg herausspritzt, also verloren geht. Genau so werde, so Cui, durch die Deaktivierung von mehr Lithium-Ionen während des ersten Aufladens ein Freiraum in der positiven Elektrode geschaffen, der es der Elektrode ermöglicht, den Ionenaustausch im späteren Verlauf effizienter zu bewerkstelligen. Das verbessere langfristig die Leistung.

Die Wirkung der Hochspannungs-Formierung wurde in der Praxis an 186 Akkus ausprobiert. Maschinelles Lernen ermöglichte es, die Veränderungen an den Elektroden festzustellen. Als Forschungsobjekt dienten selbst gefertigte Pouchzellen.

Ein Nebeneffekt: Durch das schnelle Formieren wird überdies noch Zeit gespart. Statt wie gewöhnlich zehn Stunden dauert dieses erste Aufladen nur noch 20 Minuten, damit ist der Ladevorgang bis zu 30-mal schneller. "Wir haben ein drängendes Problem gelöst, vor dem die Industrie steht", fasst Projektleiter Will Chueh das Ergebnis zusammen.

Zukünftig könnten Batterien dank dieser Erkenntnis kleiner und leichter ausgeführt werden, was wiederum die Reichweite von Elektroautos erhöht und die Kosten senkt. "Unschätzbare Erkenntnisse für Batteriehersteller, die ihre Prozesse rationalisieren und ihre Produkte verbessern wollen", so die Schlussfolgerung des Forschungsteams. Neben dem Stanford Team waren auch Wissenschaftler des Massachusetts Institute of Technology (MIT), des Toyota Research Institute (TRI) und der Universität von Washington beteiligt.