Toyota röntgt Lithium-Ionen-Akkus
Um Kapazität und Lebensdauer von Lithium-Ionen-Speichern zu verbessern, hat Toyotas Forschungsabteilung eine Methode entwickelt, mit der sich das Verhalten von Lithium-Ionen beim Laden und Entladen von Lithium-Ionen-Akkus in Echtzeit direkt beobachten lässt
Um Kapazität und Lebensdauer von Lithium-Ionen-Speichern zu verbessern, hat Toyotas Forschungsabteilung eine Methode entwickelt, mit der sich das Verhalten von Lithium-Ionen beim Laden und Entladen in Echtzeit direkt beobachten lässt.
Lithium-Ionen-Batterien sind Stand der Technik in Elektroautos und Hybridfahrzeugen. Sie haben sich durchgesetzt, weil sie zu einem vertretbaren Preis robust genug sind und für die Elektromobilität brauchbare Ladezeiten und Entnahmeströme bieten. Was die Ingenieure jedoch ärgert, ist eine begrenzte Maximal- und Dauerleistung dieser Speicher.
Toyota röntgt Lithium-Ionen-Akkus (6 Bilder)
(Bild: Toyota)
Toyota betreibt als einer der Pioniere der Elektromobilität mit einem vergleichsweise großen Anteil von Hybridfahrzeugen in Produktion eine eigene Batteriezellforschung. Elektroautos sind seit Produktionsende für den elektrischen iQ nicht im Programm und sollen erst ab 2020 wieder angeboten werden. Der Autohersteller ist aber von der Lithium-Ionen-Technik so überzeugt, dass er mit eigenen Forscherteams versucht, sie zu optimieren. Dabei hat er vor allem die Reichweite im Blick und spricht von einem Verbesserungspotenzial von zehn bis 15 Prozent.
Wanderungsbewegung
Lithium-Ionen-Akkus haben eine Kathode aus Metalloxid, eine Anode aus Karbonmaterial und einen organischen Elektrolyt. Beim Laden des Speichers wandern die Lithium-Ionen im Elektrolyt von der Kathode zur Anode – umgekehrt bewegen sie sich beim Entladen. Die Wanderung der Ionen spielt also eine wesentliche Rolle bei der Funktion der Stromspeicher.
Man weiß heute, dass es offenbar Probleme bei dieser Bewegung sind, welche zu Einschränkungen bei der Leistungsfähigkeit führen. So bleiben immer mehr Ionen dauerhaft an der Anode, was die Batterie auf Dauer altern lässt und letztlich unbrauchbar macht. Toyota konzentriert sich auf ein anderes Phänomen: Beim Laden und Entladen geraten die Lithium-Ionen zudem offenbar recht häufig auf Abwege und können letzendlich Kurzschlüsse verursachen. Dieses Phänomen war bis heute nicht direkt beobachtbar.
Licht ins Dunkel bringen wollen die Toyota Central R&D Labs (in Zusammenarbeit mit Nippon Soken, dem Institute of Physical and Chemical Research (RIKEN) und JASRI, dem Japan Synchrotron Radiation Research Institute) durch eine direkte Beobachtungsmethode für den Ionenfluss. In einer Versuchszelle wird ein Elektrolyt mit schweren Elementen anstelle der phosphorhaltigen Ionen eingesetzt. Eine Durchleuchtung mit Röntgenstrahlen, die rund eine Milliarde Mal stärker sind als die in medizinischen Röntgengeräten, soll so eine Beobachtung der Ionen in Echtzeit ermöglichen.
Bei Toyota ist man optimistisch, den Gründen für die Irrläufe der Ionen auf die Spur zu kommen und mit dieser Erkenntnis den Aufbau neuer Li-Ion-Zellen so gestalten zu können, dass künftig deutlich mehr Ionen den direkten Weg zwischen Anode und Kathode nehmen. (fpi)