Batterien von E-Fahrzeugen könnten bis zu 40% länger halten als erwartet
Eine Studie von Stanford-SLAC zeigt, dass Batterien vom realen Stop-and-Go-Fahren von Elektrofahrzeugen weniger belastet werden als von der Dauerbeanspruchung, die in fast allen Labortests neuer Batteriedesigns simuliert wird.
Die Akkus könnten unter normaler Nutzung durch Fahrer im realen Fahralltag – etwa auf langen Autobahnfahrten, kurzen Stadtfahrten usw. – etwa ein Drittel länger halten als von Forschern allgemein prognostiziert. Dies ist das Ergebnis einer neuen Studie von Wissenschaftlern des SLAC-Stanford Battery Center, einem gemeinsamen Stanford University’s Precourt Institute for Energy und des SLAC National Accelerator Laboratory. Dies deutet darauf hin, dass der Besitzer eines typischen Elektrofahrzeugs möglicherweise etliche Jahre lang den Akku nicht austauschen oder ein neues Auto kaufen müssen.
Fast immer testen Batteriewissenschaftler die Zyklenlebensdauer neuer Batteriedesigns in Labors mit einer konstanten Entladerate und anschließendem Wiederaufladen. Sie wiederholen diesen Zyklus viele Male in schneller Folge, um schnell herauszufinden, ob ein neues Design unter anderem hinsichtlich der Lebensdauer gut ist oder nicht.
Dies ist jedoch keine gute Methode, um die Lebenserwartung von Elektrofahrzeugbatterien vorherzusagen, insbesondere nicht für Menschen, die Elektrofahrzeuge für den täglichen Arbeitsweg benutzen, so die in Nature Energy veröffentlichte Studie. Obwohl die Batteriepreise in den letzten 15 Jahren um etwa 90% gefallen sind, machen Batterien immer noch fast ein Drittel des Preises eines neuen Elektrofahrzeugs aus. Daher können sich aktuelle und zukünftige Elektrofahrzeug-Pendler freuen zu erfahren, dass viele zusätzliche Kilometer auf sie warten.
Simona Onori, eitende Autorin und außerordentliche Professorin für Energiewissenschaft und -technik, sagt: „Zu unserer Überraschung trägt echtes Fahren mit häufigem Beschleunigen, Bremsen, das die Batterien ein wenig auflädt, kurzen Stopps beim Einkaufen und stundenlangem Ruhen der Batterien dazu bei, dass die Batterien länger halten, als wir aufgrund von Labortests nach Industriestandard gedacht hätten.“
Eine angenehme Überraschung
Die Forscher entwickelten vier Arten von Entladeprofilen für Elektrofahrzeuge, von der standardmäßigen konstanten Entladung bis hin zur dynamischen Entladung auf Grundlage realer Fahrdaten. Das Forschungsteam testete 92 handelsübliche Lithium-Ionen-Batterien über mehr als zwei Jahre mit verschiedenen Entladeprofilen. Am Ende war die Lebenserwartung des Elektrofahrzeugs umso höher, je realistischer die Profile das tatsächliche Fahrverhalten widerspiegelten.
Laut der Studie tragen mehrere Faktoren zur unerwarteten Langlebigkeit bei. Ein maschineller Lernalgorithmus, der anhand der gesammelten Daten trainiert wurde, half dabei, die Auswirkungen dynamischer Entladeprofile auf die Batterieverschlechterung herauszuarbeiten.
So zeigte die Studie z.B. einen Zusammenhang zwischen starken, kurzen Beschleunigungen von Elektrofahrzeugen und langsamerer Alterung. Dies stand im Widerspruch zu lange gehegten Annahmen von Batterieforschern, einschließlich des Studienteams, dass Beschleunigungsspitzen schlecht für Elektrofahrzeugbatterien seien. Das Pedal mit dem Fuß fest durchzudrücken beschleunigt die Alterung nicht. Wenn überhaupt, verlangsamt es sie, erklärt Alexis Geslin, einer der drei Hauptautoren der Studie.
Zwei Arten zu altern
Das Forschungsteam suchte auch nach Unterschieden zwischen der Alterung von Batterien durch viele Lade- und Entladezyklen und der Alterung, die einfach mit der Zeit auftritt. Ihre Batterien zu Hause, die jahrelang unbenutzt in einer Schublade lagen, funktionieren nicht mehr so gut wie beim Kauf – wenn sie überhaupt funktionieren.
„Wir Batterieingenieure gehen davon aus, dass die Zyklusalterung viel wichtiger ist als die zeitbedingte Alterung. Das trifft vor allem auf kommerzielle Elektrofahrzeuge wie Busse und Lieferwagen zu, die fast immer entweder im Einsatz sind oder aufgeladen werden“, meint Geslin. „Für Verbraucher, die ihre Elektrofahrzeuge nutzen, um zur Arbeit zu kommen, ihre Kinder abzuholen oder zum Lebensmittelladen zu fahren, sie aber meist nicht benutzen oder nicht einmal aufladen, ist die Zeit die Hauptursache für die Alterung gegenüber den Zyklen.“
Die Studie ermittelt einen optimalen Bereich für die durchschnittliche Entladerate, um die Alterung im Laufe der Zeit und die Zyklusalterung auszugleichen, zumindest für die von ihr getestete kommerzielle Batterie. Glücklicherweise liegt dieses Fenster im Bereich des realistischen Fahrens mit Elektrofahrzeugen. Autohersteller könnten ihre Software zum Batteriemanagement für Elektrofahrzeuge 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 wirklich wichtig sein, neue Batteriechemien und -designs anhand realistischer Bedarfsprofile zu evaluieren“, sagt Le Xu. Postdoktorand für Energiewissenschaft und -technik . „Forscher können nun vermutete Alterungsmechanismen auf chemischer, Material- und Zellebene erneut untersuchen, um ihr Verständnis zu vertiefen. Dies wird die Entwicklung fortschrittlicher Steuerungsalgorithmen erleichtern, die die Nutzung bestehender kommerzieller Batteriearchitekturen optimieren.“
Die Auswirkungen gehen über Batterien hinaus, so die Studie. Wissenschaftler und Ingenieure könnten die Prinzipien auch auf andere Energiespeicheranwendungen sowie auf andere Materialien und Geräte in den Naturwissenschaften anwenden, bei denen die Alterung eine entscheidende Rolle spielt, wie etwa Kunststoffe, Gläser, Solarzellen und einige Biomaterialien, die in Implantaten verwendet werden.
„Diese Arbeit unterstreicht, wie wichtig die Integration mehrerer Fachgebiete – von der Materialwissenschaft über Steuerung und Modellierung bis hin zum maschinellen Lernen – ist, um Innovationen voranzutreiben“, meint Onori.
