Lithium-Ionen-Zelle mit eingebauter Heizung
US-amerikanische Forscher haben eine Lithion-Ionen-Zelle für den Automotive-Bereich entwickelt, die sich bei niedrigen Temperaturen selbst aufwärmt.
(Bild: Chao-Yang Wang / Penn State)
Kälte ist der Feind jeder Lithium-Ionen-Zelle: Bei Temperaturen unterhalb von 0 Grad Celsius laufen die elektrochemischen Reaktionen im Inneren deutlich träger ab. In Folge dessen bekommt man dann keine hohen Ströme aus der oder in die Zelle, und auch die nutzbare Kapazität leidet. Elektroautos haben deshalb Heizungen für ihre Akkusysteme eingebaut, damit sie auch im Winter ohne große Einschränkungen nutzbar sind.
Die Heizelemente werden üblicherweise außerhalb der Zellverbünde angebracht, sodass sie das gesamte Akkumodul und nicht nur die Zellen selbst aufwärmen müssen. Das kostet Energie, die dann nicht mehr als Reichweite für das Auto zu Verfügung steht.
Forscher der Penn State University wollen dies ändern: Sie haben eine Lithium-Ionen-Zelle entwickelt, in die zusätzlich eine dünne Nickelfolie als Heizelement eingebracht ist. Die Folie ist fest mit einer Elektrode verbunden und über einen Schalter mit der anderen. Der Schalter schließt sich bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts, sodass Strom durch die Folie fließt und sie erwärmt. Die Heizleistung landet also sofort dort, wo sie gebraucht wird.
Abschalter
Oberhalb des Gefrierpunkts öffnet sich der Schalter, sodass keine weitere Energie zum Heizen verwendet wird. Das Abschalten der Heizung ist aber auch aus Sicherheitsgründen relevant: Jede Lithium-Ionen-Zelle hat genug elektrische Energie gespeichert, um sich durch wie auch immer geartete interne Heizelemente – sei es nun die gezielt eingebrachte Folie oder durch versehentliche Kurzschlüsse im Inneren – so stark zu erwärmen, dass sie in einen kritischen Bereich kommt, was im schlimmsten Fall zu Explosion und/oder Brand führen kann.
Laut den Penn-State-Forschern funktioniert das Aufheizen relativ schnell und mit gegenüber bisherigen Akkuheizungen mit geringen Energieaufwand: Das Aufwärmen von -20 Grad Celsius soll rund 20 Sekunden dauern und 3,8 Prozent der Zellkapazität verbrauchen, beim Aufwärmen von -30 Grad geben sie 30 Sekunden und 5,5 Prozent an.
Für Smartphones oder Notebooks sind die Zellen mit Heizung nicht gedacht: Solche Geräte werden üblicherweise nicht so tiefen Temperaturen ausgesetzt, als dass eine Heizung notwendig würde. Hinzu kommt, dass die Nickelfolie den Akkuaufbau nicht nur etwas komplizierter und damit teurer macht, sondern auch, dass sie den Aktivmaterialien Volumen wegnimmt, was die Energiedichte reduziert. (mue)
