Schnell-Ladung schädigt Batterien von Elektroautos

Kommerzielle Schnellladestationen setzen Elektroautobatterien hohen Temperaturen und einem hohen Widerstand aus, die dazu führen können, dass sie brechen, auslaufen und ihre Speicherkapazität verlieren, schreiben Ingenieure der Universität von Kalifornien, Riverside, in einer neuen Studie, die in Energy Storage veröffentlicht wurde. Um hier Abhilfe zu schaffen, haben die Forscher eine Methode entwickelt, mit der bei niedrigeren Temperaturen geladen werden kann, ohne dass das Risiko katastrophaler Schäden und des Verlusts von Speicherkapazität besteht.

Mihri Ozkan, ein Professor für Elektro- und Computertechnik und Cengiz Ozkan, ein Professor für Maschinenbau am Marlan and Rosemary Bourns College of Engineering, führten eine Gruppe an, die einen Satz entladener zylindrischer Panasonic NCR 18650B Lithium-Ionen-Batterien, die in Tesla-Autos zu finden sind, mit der gleichen industriellen Schnell-Lademethode wie Schnell-Ladegeräte, die man entlang von Autobahnen findet, auflud.

Sie luden auch einen Satz mit einem neuen Schnelllade-Algorithmus auf der Grundlage des Innenwiderstands der Batterie, der den Elektronenfluss stört. Der Innenwiderstand einer Batterie schwankt je nach Temperatur, Ladezustand, Batteriealter und anderen Faktoren. Ein hoher Innenwiderstand kann Probleme beim Laden verursachen.

Die UC Riverside Battery Team-Lademethode ist ein adaptives System, das von der Batterie lernt, indem es den Innenwiderstand der Batterie während des Ladevorgangs überprüft. Es ruht, wenn der Innenwiderstand einsetzt, um den Verlust von Ladekapazität zu eliminieren.

Während der ersten 13 Ladezyklen blieben die Speicherkapazitäten der Batterien für beide Ladetechniken ähnlich. Danach jedoch führte die Schnellladetechnik der Industrie dazu, dass die Kapazität viel schneller verblasste – nach 40 Ladezyklen behielten die Batterien nur noch 60% ihrer Speicherkapazität. Batterien, die mit der Innenwiderstands-Lademethode geladen wurden, behielten nach dem 40. Zyklus mehr als 80% ihrer Kapazität.

Bei einer Kapazität von 80% haben wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien für die meisten Zwecke das Ende ihrer Lebensdauer erreicht. Batterien, die mit der Schnell-Lademethode der Industrie geladen wurden, erreichten diesen Punkt nach 25 Ladezyklen, während Batterien mit der Innenwiderstandsmethode 36 Zyklen lang gut waren.

„Die industrielle Schnellladung wirkt sich aufgrund des erhöhten Innenwiderstands der Batterien negativ auf die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien aus, was wiederum zur Wärmeentwicklung führt“, sagte Doktorand und Mitautor Tanner Zerrin.

Schlimmer noch, nach 60 Ladezyklen brachen die Batteriegehäuse nach der Industriemethode auf, wodurch die Elektroden und der Elektrolyt der Luft ausgesetzt wurden und das Brand- oder Explosionsrisiko erhöht wurde. Hohe Temperaturen von 60 Grad Celsius/140 Grad Fahrenheit beschleunigten sowohl den Schaden als auch das Risiko.

„Kapazitätsverlust, interne chemische und mechanische Beschädigungen und die hohe Hitze für jede Batterie sind große Sicherheitsbedenken, besonders wenn man bedenkt, dass es 7.104 Lithium-Ionen-Batterien in einem Tesla-Modell S und 4.416 in einem Tesla-Modell 3 gibt“, sagte Mihri Ozkan.

Die Aufladung mit internem Widerstand führte zu viel niedrigeren Temperaturen und keinen Schäden.

„Unser alternativer adaptiver Schnelllade-Algorithmus reduzierte den Kapazitätsschwund und beseitigte Brüche und Veränderungen in der Zusammensetzung der kommerziellen Batteriezellen“, sagte Cengiz Ozkan.

„Die vorgeschlagene adaptive Schnellladung bietet eine neue Perspektive für die Entwicklung von Schnellladetechnologie für Elektrofahrzeuge mit besserer Sicherheitsleistung und längerer Lebensdauer der Batterie“, sagte Bo Dong, Doktorand und Mitautor der Arbeit.

Die Forscher haben ein Patent auf den adaptiven Innenwiderstands-Schnellladealgorithmus angemeldet, das von Batterie- und Autoherstellern lizenziert werden könnte. In der Zwischenzeit empfiehlt das UCR-Batterieteam, die Verwendung kommerzieller Schnellladegeräte auf ein Minimum zu reduzieren, die Batterie vor der vollständigen Entleerung wieder aufzuladen und eine Überladung zu vermeiden.