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Ein schnellerer Test für Elektroautobatterien
Es dauert Jahre, um zu beweisen, dass eine neue Batterietechnologie ein Hybrid- oder Elektroauto überlebt. Das bedeutet, dass Batteriematerialien, die möglicherweise weniger kosten und mehr Energie speichern als die heutigen Batterien, auf den Labortischen schmachten.
Batterietester: Dieses System lädt und entlädt 60 Batteriezellen und sagt deren Lebensdauer voraus.
Eine neue Methode zum Testen von Lithium-Ionen-Batterien könnte diese Zeit auf wenige Wochen statt auf einige Jahre verkürzen und einen wichtigen Engpass beseitigen, der die Batteriekosten hoch und die Speicherkapazitäten niedrig hält.
Durch genaues Messen, wie effizient experimentelle Batterien eine elektrische Ladung speichern und abgeben, Jeff Dahn der Dalhousie University kann vorhersagen, wie oft Batteriezellen geladen und entladen werden können – die sogenannte Zyklenlebensdauer der Batterie. Dahn, Professor für Physik und Chemie, versucht auch zu zeigen, dass die Methode vorhersagen kann, wie lange eine Batterie im Regal hält – die sogenannte Kalenderlebensdauer.
Zykluslebensdauer und Kalenderlebensdauer bestimmen zusammen die Nutzungsdauer einer Batterie. Sie sind beispielsweise wichtig, um zu bestimmen, wie groß der Akku sein muss, um die beworbene Energiemenge während der gesamten Lebensdauer des Autos zu speichern.
Die Technik hat die Aufmerksamkeit von Autoherstellern erregt, die versuchen, sie zu validieren und zu verwenden, insbesondere als Werkzeug zur Vorhersage der Lebensdauer. Es könnte auch Akademikern, die über weniger Ressourcen als Autohersteller verfügen, ermöglichen, Batteriematerialien mit echtem kommerziellem Potenzial zu entwickeln. Wir glauben, dass diese Technik sehr nützlich sein könnte, sagt Masaki Matsui, Leiter der Materialforschungsabteilung bei Toyota Research Institute of North America . Er sagt, dass es Probleme mit Materialien sehr früh in der Batterieentwicklung erkennen wird, was es den Forschern ermöglicht, Kombinationen von Batterieelektroden und Elektrolyten schnell zu sortieren.
Bei einer Batterie kann eine ganze Reihe von Dingen schief gehen. Die wichtigste Erkenntnis von Dahns Ansatz ist, dass viele solcher Probleme in einem einzigen Test auftauchen können – der Messung der Differenz zwischen der Ladungsmenge, die während des Ladevorgangs in eine Batterie einfließt, und der Menge, die beim Entladen herauskommt (auch Coulomb-Effizienz genannt). ). Wenn weniger Ladung herauskommt als eingeht, wird diese Energie durch unerwünschte Reaktionen innerhalb der Batterie verschwendet. Diese Verluste summieren sich: Mit aufeinanderfolgenden Zyklen gibt die Batterie immer weniger Ladung zurück, bis sie schließlich nicht mehr verwendet werden kann.
Dahn hat ein Batterieladesystem entwickelt, das sehr kleine Ladungsverluste erkennt und in wenigen Wochen lebensverkürzende Reaktionen erkennt, die sich sonst erst nach Monaten oder Jahren des Testens zeigen würden. Dahn hat die Technik verwendet, um subtile Veränderungen in der Chemie zu identifizieren, die die Zyklenlebensdauer eines Batterietyps bis auf das Sechsfache erhöhen können.
Bei Lithium-Ionen-Batterien waren solch genaue Tests nicht erforderlich, da sie fast ausschließlich für tragbare Elektronik verwendet wurden, die nur wenige Jahre halten müssen. Aber jetzt werden Batterien entwickelt, um Elektrofahrzeuge anzutreiben oder Energie aus Sonnenkollektoren zu speichern, und sie müssen 10, 15, 20 Jahre oder länger halten. Über solche Spannweiten kann selbst eine winzige Ineffizienz zu großen Problemen führen.
Zudem mischen Batteriehersteller immer komplexere Elektrolyt-Cocktails, von denen jeder Teil die Lebensdauer einer Batterie erheblich verändern könnte. Die Elektrolyte bestehen aus etwa 10 Komponenten. Dann möchten Sie weitere Zusatzstoffe bewerten. Es ist nur ein Albtraum, sagt Dahn. Mit herkömmlichen Messtechniken, sagt er, ist es schwer zu sagen, ob eine Veränderung gut oder schlecht ist, ohne einen Test zu machen, der länger ist als seine Karriere. Durch die genaue Messung der Coulomb-Effizienz, sagt er, haben Sie in wenigen Wochen alles.
Mark Mathias, Geschäftsführer von General Motors Elektrochemisches Energieforschungslabor in New York, ist nicht ganz überzeugt. Was Jeff macht, ist eine sehr gute Diagnose. Ich stimme zu, dass wir es verwenden sollten, aber es ist ein Werkzeug, kein Allheilmittel, sagt er. Zum einen sagt es den Forschern nicht, was in einer Zelle schief läuft. Mathias sagt, dass die Forscher die zugrunde liegenden Ursachen für Effizienzverluste viel besser verstehen müssen. Das würde ihnen helfen, die Probleme zu lösen, die Dahns Tests identifiziert haben.
Mathias ist sich auch nicht sicher, ob sich der Test für die Messung der Kalenderlebensdauer als zuverlässig erweisen wird. Es könnte verwendet werden, um Batterien zu bewerten, sagt er, aber die bedauerliche Realität ist, dass wir nicht sicher wissen können, ob wir einen beschleunigten Test haben, der 10 Jahre nachahmt, es sei denn, wir haben 10 Jahre lang getestet, sagt er.
Dahn sagt, dass seine Ausrüstung im Moment genau genug ist, um den Forschern zu sagen, ob eine bestimmte Änderung der Batteriechemie den Unterschied zwischen 500 Ladezyklen (die für ein paar Jahre beim Fahren eines Elektrofahrzeugs benötigt werden) oder 1.000 ausmachen. Jetzt arbeitet er mit einem Gerätehersteller zusammen, um den Prozess für genaue Vorhersagen auf etwa 10.000 Zyklen zu verbessern.