Angenehme Überraschung: Bestehende Batterien für Elektrofahrzeuge können bis zu 40% länger halten als erwartet

Laut einer neuen Studie von Wissenschaftlern des SLAC-Stanford Battery Center, einem gemeinsamen Zentrum der Universität Stanford und des Precourt Institute of Energy sowie des SLAC National Accelerator Laboratory, könnten die Batterien von Elektrofahrzeugen, die dem normalen Gebrauch von Autofahrern ausgesetzt sind - wie z. B. starkem Verkehr, langen Autobahnfahrten, kurzen Fahrten in der Stadt und überwiegendem Parken -, etwa ein Drittel länger halten als von Forschern allgemein vorhergesagt. Dies deutet darauf hin, dass der Besitzer eines typischen Elektrofahrzeugs möglicherweise erst in einigen Jahren das teure Batteriepaket austauschen oder ein neues Auto kaufen muss.

Wissenschaftler und Ingenieure, die sich mit Batterien befassen, haben die Lebensdauer neuer Batteriedesigns fast immer in Labors mit einer konstanten Entladungsrate und anschließendem Wiederaufladen getestet. Sie wiederholen diesen Zyklus schnell und viele Male, um schnell herauszufinden, ob ein neues Design in Bezug auf die Lebenserwartung und andere Eigenschaften gut ist oder nicht.

Laut der Studie, die am 9. Dezember in der Zeitschrift Nature Energy veröffentlicht wurde, ist dies keine gute Methode, um die Lebenserwartung von Elektroauto-Batterien vorherzusagen, insbesondere für Menschen, die Elektroautos für den täglichen Pendlerverkehr besitzen. Obwohl die Batteriepreise in den letzten 15 Jahren um 90 % gesunken sind, machen die Batterien immer noch fast ein Drittel des Preises für ein neues Elektroauto aus. Heutige und zukünftige EV-Pendler können sich also freuen

"Wir haben EV-Batterien nicht auf die richtige Weise getestet", sagt Simona Onori, Hauptautorin und außerordentliche Professorin für Energiewissenschaft und -technik an der Stanford Doerr School of Sustainability. "Zu unserer Überraschung halten die Batterien bei echtem Fahren mit häufigem Beschleunigen, Bremsen, das die Batterien ein wenig auflädt, Anhalten, um in einen Laden zu gehen, und stundenlangem Ruhenlassen der Batterien länger als wir auf der Grundlage von Standard-Labortests angenommen hatten."

Eine angenehme Überraschung

Die Forscher entwarfen vier Arten von Entladeprofilen für Elektrofahrzeuge, von der standardmäßigen konstanten Entladung bis zur dynamischen Entladung auf der Grundlage realer Fahrdaten. Das Forschungsteam testete 92 handelsübliche Lithium-Ionen-Batterien mehr als zwei Jahre lang mit den verschiedenen Entladeprofilen. Je realistischer die Profile das tatsächliche Fahrverhalten widerspiegelten, desto höher kletterte die Lebenserwartung der Batterien.

Laut der Studie tragen mehrere Faktoren zu dieser unerwarteten Langlebigkeit bei. Ein Algorithmus für maschinelles Lernen, der auf alle vom Team gesammelten Daten trainiert wurde, half dabei, die Auswirkungen der dynamischen Entladeprofile auf den Batterieverschleiß herauszufinden.

So zeigte die Studie beispielsweise einen Zusammenhang zwischen starken, kurzen EV-Beschleunigungen und einer langsameren Degradation. Dies stand im Gegensatz zu den langjährigen Annahmen von Batterieforschern, einschließlich des Teams dieser Studie, dass Beschleunigungsspitzen schlecht für Elektrofahrzeugbatterien sind.

Wenn man mit dem Fuß kräftig auf das Pedal tritt, beschleunigt das die Alterung nicht. Wenn überhaupt, dann verlangsamt es die Alterung, erklärte Alexis Geslin, einer der drei Hauptautoren der Studie und Doktorand in Materialwissenschaft und Technik sowie in Informatik an der Stanford School of Engineering.

Zwei Arten zu altern

Das Forschungsteam untersuchte auch die Unterschiede zwischen der Batteriealterung aufgrund vieler Lade- und Entladezyklen und der Batteriealterung, die einfach mit der Zeit eintritt. Ihre Batterien zu Hause, die seit Jahren ungenutzt in einer Schublade liegen, werden nicht mehr so gut funktionieren wie beim Kauf, wenn sie überhaupt noch funktionieren.

"Wir Batterieingenieure sind davon ausgegangen, dass die Zyklusalterung viel wichtiger ist als die zeitbedingte Alterung. Das gilt vor allem für kommerzielle E-Fahrzeuge wie Busse und Lieferwagen, die fast immer entweder im Einsatz sind oder aufgeladen werden", so Geslin. "Für Verbraucher, die ihre E-Fahrzeuge nutzen, um zur Arbeit zu fahren, ihre Kinder abzuholen oder zum Supermarkt zu gehen, die sie aber meistens nicht benutzen oder sogar aufladen, ist die Zeit die Hauptursache für die Alterung gegenüber dem Radfahren.

In der Studie wird ein Sweet Spot für die durchschnittliche Entladerate identifiziert, bei dem sich Zeitalterung und Zyklusalterung die Waage halten, zumindest für die getestete kommerzielle Batterie. Glücklicherweise liegt dieses Fenster im Bereich des realistischen Fahrens von Elektrofahrzeugen. Autohersteller könnten ihre Batteriemanagement-Software aktualisieren, um die neuen Erkenntnisse zu nutzen und die Lebensdauer der Batterie unter realen Bedingungen zu maximieren.

Ein Blick in die Zukunft

"In Zukunft wird es sehr wichtig sein, neue Batteriechemien und -designs mit realistischen Bedarfsprofilen zu evaluieren", sagte der Postdoktorand Le Xu, Professor für Energiewissenschaften und -technik. "Die Forscher können nun die vermuteten Alterungsmechanismen auf der Ebene der Chemie, der Materialien und der Zellen überprüfen, um ihr Verständnis zu vertiefen. Dies wird die Entwicklung fortschrittlicher Kontrollalgorithmen erleichtern, die die Nutzung bestehender kommerzieller Batteriearchitekturen optimieren."

Laut der Studie gehen die Auswirkungen über Batterien hinaus. Wissenschaftler und Ingenieure könnten die Prinzipien auf andere Energiespeicheranwendungen sowie auf andere Materialien und Geräte in den physikalischen Wissenschaften anwenden, bei denen die Alterung von entscheidender Bedeutung ist, wie Kunststoffe, Gläser, Solarzellen und einige Biomaterialien, die in Implantaten verwendet werden.

"Diese Arbeit unterstreicht die Kraft der Integration verschiedener Fachgebiete - von der Materialwissenschaft über die Steuerung und Modellierung bis hin zum maschinellen Lernen - um Innovationen voranzutreiben", so Onori.