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Jul 04, 2023

Diese neue Technologie könnte die Verschlechterung der Batteriereichweite von Elektrofahrzeugen bei kaltem Wetter verhindern

Eine Änderung der Batteriechemie könnte das Problem der schlechten Leistung bei Kälte beenden. Batterien für Elektroautos sind zu einem der größten Schwerpunkte der Automobilforschung geworden. Ein Auto ist eines davon

Eine Änderung der Batteriechemie könnte das Problem der schlechten Leistung bei Kälte beenden.

Batterien für Elektroautos sind zu einem der größten Schwerpunkte der Automobilforschung geworden. Ein Auto ist einer der schlimmsten Orte, an denen man eine Batterie unterbringen kann. Die Batterien von Elektrofahrzeugen werden immer wieder entladen und wieder aufgeladen (Batterien vertragen das Entleeren nicht besonders gut), sie werden über holprige Straßen gerüttelt, in der schlimmsten Sommerhitze gekocht und im Winter eingefroren. Batterien vertragen, ebenso wie die Menschen, die sie verwenden, kaltes Wetter nicht besonders gut. (Jeder, der mit einer batteriebetriebenen Kamera Schnappschüsse im Schnee macht, hat wahrscheinlich bemerkt, dass die Ladeanzeige viel schneller abfällt, als es hätte sein sollen.)

Es gibt jedoch einige gute Neuigkeiten. Forscher haben eine mögliche Lösung für dieses letzte Problem gefunden. Durch eine Änderung der Formel in der Batterie haben Wissenschaftler des US-Energieministeriums möglicherweise eine Batterie entwickelt, die in der Kälte genauso viel Energie speichern kann wie bei idealer Raumtemperatur.

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Zur schnellen Erinnerung: Eine elektrische Batterie verfügt über zwei Elektroden mit einem Elektrolyt dazwischen. Die Elektroden sind mit den Drähten verbunden, die den Strom zu dem Gerät transportieren, das ihn nutzt. Der Elektrolyt speichert im Wesentlichen den Strom, bis er verbraucht wird. Normalerweise handelt es sich um eine Flüssigkeit oder eine Paste (außer bei Festkörperbatterien, bei denen der Elektrolyt – wie man vermuten könnte – fest ist). Um Strom zu erzeugen, reagiert die Elektrode an einem Ende der Batterie mit dem Elektrolyten. Bei dieser chemischen Reaktion werden Elektronen freigesetzt. Die Elektrode am gegenüberliegenden Ende der Batterie hat eine andere chemische Reaktion mit dem Elektrolyten. Anstatt Elektronen freizusetzen, wie es am anderen Ende der Batterie geschieht, erfordert diese Reaktion zusätzliche Elektronen, bevor sie stattfinden kann – beispielsweise diejenigen, die durch die chemische Aktivität am anderen Ende der Batterie freigesetzt wurden.

Aufgrund der Art und Weise, wie eine Batterie hergestellt wird, können die Elektronen nicht einfach von einem Ende zum anderen springen, um dorthin zu gelangen, wo sie benötigt werden. Stattdessen müssen die Elektronen die Batterie durch die Elektroden verlassen und durch die mit der Batterie verbundenen Drähte wandern. Dies geschieht praktischerweise dadurch, dass die Elektronen durch den Motor, das Licht oder die Stereoanlage geschickt werden, die die Batterien gerade mit Strom versorgen. Aus diesem Grund produzieren Batterien keinen Strom mehr, wenn sie von einem Gerät getrennt werden, das sie verwendet. Da es keine Möglichkeit gibt, Elektronen von einem Ende der Batterie zum anderen zu transportieren, stoppt die chemische Reaktion, bis das elektrische Gerät das nächste Mal verwendet wird.

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Der wissenschaftliche Durchbruch ist ein neuer Zusatzstoff für Batterieelektrolyte namens „Lithiumdifluor(oxalato)borat“. Dies wird im Allgemeinen auf das besser aussprechbare (und einfacher zu tippende) „LiDFOB“ abgekürzt.

Es hat einen großen Vorteil gegenüber anderen bereits verwendeten Additiven: Es funktioniert, wenn die Batterien kalt werden. Auch bei starkem Winterfrost hätte das Auto noch eine gute Reichweite. Wissenschaftler haben behauptet, dass eine LiDFOB-Batterie bei Temperaturen von bis zu -4 °F (-20 °C) gut funktioniert. Darüber hinaus haben LiDFOB-Batterien ihre Kapazität beibehalten, nachdem sie in Labortests 400 Mal entladen und wieder aufgeladen wurden. Man könnte darauf hinweisen, dass eine Batterie für Elektrofahrzeuge im Laufe ihrer Lebensdauer weit über 400 Mal entladen und wieder aufgeladen wird, und das ist einer der Gründe, warum sich LiDFOB-Batterien noch in der Test- und Entwicklungsphase befinden.

LiDFOB-Batterien sind auch weniger gefährlich, wenn die Batterien Feuer fangen. Lithium-Ionen-Batterien sind bekanntermaßen schwer zu löschen, da ihre eigene innere Chemie die Flammen anheizt. Sie können heiß genug brennen, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu trennen. Einige erinnern sich vielleicht daran, dass Wasserstoffgas die Hindenburg so explosiv machte. (Bevor jemand in Panik gerät: Elektrofahrzeuge sind nicht anfälliger für Brände als ein Auto mit einer halben Tankfüllung.) Bei LiDFOB-Batterien besteht jedoch nicht die Gefahr von sich selbst verstärkenden, explosiven Bränden. Bei einem Unfall können sie zwar Feuer fangen, die daraus resultierenden Brände wären für Feuerwehrleute und Rettungskräfte jedoch weitaus einfacher zu bewältigen.

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Vereinfacht gesagt ist die Technologie noch nicht reif für die Massenproduktion. Wie die wasserbasierten Batterien, die auch in Laboren vielversprechend sind, sind LiDFOB-Batterien nicht für den Einbau in jedes Auto und in jedes Mobiltelefon geeignet. Nachdem alle Laborfehler geklärt sind, müssen sie noch mit der harten Realität der realen Welt getestet werden, bevor irgendjemand damit beginnt, sie in Fabriken auszuprobieren.

Darüber hinaus sind die Massenproduktionsmethoden noch nicht vollständig ausgereift. Wie sich leicht ableiten lässt, ist die Steigerung der Batterieproduktion viel schwieriger als die Verdoppelung eines Cupcake-Rezepts. Darüber hinaus ist LiDFOB unerschwinglich teuer. Ein wissenschaftlicher Lieferant gibt derzeit einen Preis von 239,50 $ pro Gramm an.

Schließlich ist sich niemand ganz sicher, wie Fluor in Batterien den Recyclingprozess verändern würde. Das Fluor selbst müsste sorgfältig aufgefangen und zurückgewonnen werden. Fluorverbindungen waren eine Hauptursache für das Loch in der Ozonschicht. (Zur Klarstellung: Reines Fluor schadet der Atmosphäre nicht. Verbindungen, die Fluor enthalten, tun dies jedoch schon. Da es unrealistisch ist, so zu tun, als würde Fluor in der Luft einfach frei schweben und niemals mit irgendetwas reagieren, auf das es stößt, muss das Fluor dies tun sorgfältig eingedämmt werden.)

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LiDFOB ist nicht die einzige Batterietechnologie, die in Arbeit ist. Derzeit sind elektrische Batterien einer der größten Bereiche der wissenschaftlichen Forschung. Viele Menschen beschwerten sich in den 1980er Jahren über die zunehmende Verbreitung von Batterien, die in alles eingebaut wurden, von Walkmans bis hin zu billigem Spielzeug. Allerdings erscheinen ihre Einwände im Vergleich zur heutigen Allgegenwärtigkeit von Batterien seltsam. Dies hat es schwieriger gemacht, die Mängel von Batterien zu ignorieren. Die Nachfrage nach seltenen Erden (das gesamte Lithium muss irgendwo herkommen), die Brandgefahr, die Notwendigkeit gründlicherer Recyclingprozesse, die absolut alles herausholen, was möglicherweise wiederverwendet werden könnte, die Notwendigkeit, dass Batterien wiederholte Entladungen überstehen und wieder aufgeladen, und andere Probleme sind dringlicher geworden.

Elektrofahrzeuge haben all diese Probleme stärker denn je zum Vorschein gebracht. Für viele Menschen ist die Batterie eines Elektrofahrzeugs die größte, die sie jemals in ihrem Haus haben werden. Batterien für Elektrofahrzeuge müssen rauem Wetter, dem ständigen Risiko von Reifenpannen durch unvorsichtiges Fahren und ständigem Rütteln und Rütteln auf schlecht ausgebauten Straßen standhalten. Darüber hinaus, und das wird nicht so oft diskutiert, könnte die (noch beginnende) Elektrofahrzeug-Ära das erste Mal sein, dass solch große Batterien massenhaft an Leute verkauft wurden, die sich nicht die Mühe machen, sich um sie zu kümmern.

Autoenthusiasten vergessen oft, dass die meisten Fahrer nicht ständig an den Antriebsstrang denken. Die Batterien in Elektrofahrzeugen müssen daher so ausgelegt sein, dass sie jahrelangem Gebrauch durch Menschen standhalten, denen die ordnungsgemäße Wartung der Batterien egal ist (so wenig es gibt). Während Automobilpuristen die sogenannten „Geräteautos“ und die Menschen, die sie besitzen, gerne verspotten, machen solche Fahrzeuge den Großteil der Autos auf der Straße aus. Eine Elektrofahrzeugbatterie muss in der Lage sein, den Einsatz unter einem Auto zu überstehen, das so wenig wie möglich gewartet wird. Aus all diesen (und anderen) Gründen sind Batterien derzeit einer der größten Bereiche der Elektrofahrzeugforschung. Unabhängig davon, ob LiDFOB-Batterien ihr ursprüngliches Versprechen halten, ist es absolut sicher, dass die heutigen Elektrofahrzeugbatterien in kürzerer Zeit, als die meisten Leute denken, so charmant veraltet erscheinen werden wie ein Motor aus den 1950er Jahren.

James O'Neil, Autor und gelegentlicher widerstrebender Motortausch, ist ein Enthusiast der Malaise-Ära und auch fasziniert von den vielen Möglichkeiten, wie sich die Autoindustrie seitdem von diesen dunklen Tagen erholt hat. Autos Ihrer Wahl: Toyota Corolla (jedes Jahr) oder 1982 Chevrolet Caprice.