In der gegenwärtigen Ära der dynamischen Entwicklung der Fahrzeugindustrie mit neuen Energieträgern stehen Lithium-Ionen-Batterien als zentrale Energiequelle vor der entscheidenden Herausforderung, Ladeeffizienz und Lebensdauer in Einklang zu bringen. Angesichts der steigenden Nachfrage der Verbraucher nach längeren Reichweiten und schnelleren Ladegeschwindigkeiten sowie der Fokussierung des Marktes auf Batterielebensdauer und Kosteneffizienz erlebt die Ladetechnologie von Lithium-Ionen-Batterien eine tiefgreifende Revolution. Wie man ein hocheffizientes Laden gewährleistet und gleichzeitig die Batterielebensdauer verlängert, ist zu einem dringenden Problem geworden, mit dem sich die Branche befassen muss.
I. Schnellladetechnologie: Die treibende Kraft für Effizienzsteigerung
In den letzten Jahren wurden erhebliche Fortschritte bei der Schnellladetechnologie von Lithium-Ionen-Batterien erzielt. Nehmen Sie CATL als Beispiel. Sein Ultra-{3}}Schnellladeakku „Shenxing“ hat eine ultra-Schnellladegeschwindigkeit von „10-Minuten Ladezeit für eine Reichweite von 400-Kilometern erreicht.“ Selbst in kalten Umgebungen bei -10 Grad kann es innerhalb von 30 Minuten auf 80 % der Kapazität aufgeladen werden. Im April 2024 brachte CATL den Shenxing PLUS-Akku auf den Markt, der die Reichweite weiter auf 1000 Kilometer erhöht und gleichzeitig die ultraschnelle Ladecharakteristik beibehält, die innerhalb von 10 Minuten auf 60 % der Kapazität auflädt. Darüber hinaus haben CATL und SAIC-GM zusammengearbeitet, um eine ultraschnell aufladbare 6C-Lithium-Eisenphosphat-Batterie einzuführen, die 2025 in der verbesserten Quasi-900-V-Hochspannungsbatteriearchitektur von Ultium zum Einsatz kommen soll. Diese Batterie kann innerhalb von 10 Minuten vollständig aufgeladen werden, wodurch die Reichweite innerhalb von 5 Minuten um 200 Kilometer erhöht wird.
Auch das Forschungsteam unter der Leitung von Professor Chao-Yang Wang von der Pennsylvania State University hat bemerkenswerte Erfolge erzielt. Sie fanden heraus, dass, wenn eine Batterie vor dem Laden schnell auf 60 Grad erhitzt, 10 Minuten lang schnell aufgeladen und dann schnell auf Umgebungstemperatur abgekühlt werden kann, eine thermische Verschlechterung der Batterie vermieden und ein ernsthaftes Wachstum des Festelektrolyt-Interphasenfilms (SEI) verhindert werden kann. Nach wiederholten Tests führte das Team isotherme Ladetests an drei Arten von Leistungsbatterien bei 40 Grad, 49 Grad und 60 Grad durch, wobei das Laden bei 20 Grad als Kontrolle diente. Anschließend wurden die Batterien zerlegt, um sie auf Lithiumbeschichtung zu prüfen. Die Ergebnisse zeigten, dass der Akku mit hoher-Energie-dichte und einer Kapazität von 209 Wh/kg nach 2500 Zyklen extremer Schnellladung (6 C, 4,2 V) bei 60 Grad für 10 Minuten immer noch 91,7 % seiner Kapazität behielt, bei nur 8,3 % Kapazitätsverlust. Damit wurde das vom US-Energieministerium (DOE) festgelegte Ziel „500 Zyklen, 20 % Kapazitätsverlust“ bei weitem übertroffen, und während des Ladevorgangs wurde keine Lithiumplattierung beobachtet.
Marken wie XPENG und NIO haben auch Durchbrüche beim ultraschnellen Laden erzielt. XPENG brachte seinen ultraschnellen S4-Ladestapel mit einer maximalen Ausgangsleistung von 480 kW und einem maximalen Ausgangsstrom von 670 A auf den Markt. Dieses System kann einem Auto innerhalb von 5 Minuten nach dem Laden eine Reichweite von 200-Kilometern bieten. Laut offizieller Aussage kann das 4C-Modell in weniger als 15 Minuten von 10 % auf 80 % aufgeladen werden, was angeblich die schnellste Ladegeschwindigkeit für massenproduzierte Elektrofahrzeuge weltweit ist. Das 3C-Modell ist außerdem mit einer 800-V-Hochspannungsplattform ausgestattet, mit einer Spitzenladeleistung von rund 300 kW. Innerhalb von 5 Minuten nach dem Aufladen kann die Reichweite um 130 Kilometer erhöht und in 20 Minuten von 10 % auf 80 % aufgeladen werden.
II. Der Einfluss des Schnellladens auf die Batterielebensdauer
Obwohl die Schnellladetechnologie die Ladeeffizienz erheblich verbessert, sind ihre Auswirkungen auf die Batterielebensdauer nicht zu vernachlässigen. Beim Schnellladen sorgt ein großer Strom dafür, dass sich Lithiumionen schnell in die Anode einbetten. Bei unzureichender Temperaturkontrolle kann sich Lithiummetall auf der Anodenoberfläche ablagern und Dendriten bilden, die möglicherweise den Separator durchstoßen, was zu internen Kurzschlüssen und einer beschleunigten Verschlechterung der Batterieleistung führen kann. Darüber hinaus kann die beim Schnellladen entstehende Wärme, wenn sie nicht rechtzeitig abgeführt wird, die Zersetzung des Elektrolyten und die Alterung der Elektrodenmaterialien beschleunigen und so die Lebensdauer der Batterie verkürzen.
Eine Umfrage ergab, dass bei Ride-{0}}Fahrern von reinen Elektrofahrzeugen mit einer durchschnittlichen Tagesfahrleistung von mehr als 100 Kilometern der Nutzungsanteil des ultraschnellen Ladens über 70 % lag. Der Gesundheitszustand ihrer Bordbatterien sank innerhalb von zwei Jahren von 100 % bei Neuwagen auf 85 %, mit einem durchschnittlichen jährlichen Rückgang von 7,5 %. Die neueste Forschung des Teams von Professor Ouyang Minggao an der Tsinghua-Universität ergab jedoch, dass die häufige Verwendung von ultraschnellem Laden über 120 kW die Lebensdauer der Batterie im Vergleich zum langsamen Laden um 40 % verkürzen kann.
Dennoch deuten einige Studien darauf hin, dass die Auswirkungen des Schnellladens auf die Batterielebensdauer nicht absolut sind. Eine von Recurring Automatic an Zehntausenden Teslas durchgeführte Tracking-Studie ergab, dass der Unterschied in der Batterielebensdauer zwischen schnellem und langsamem Laden tatsächlich vernachlässigbar ist. Selbst bei gewerblichen Ride--Fahrzeugen, die ein- bis zweimal täglich schnell-geladen werden, ähneln die Batteriewechselzyklen denen von Privatfahrzeugen. Dies ist vor allem auf die effizienten Temperaturkontrollsysteme zurückzuführen, die die negativen Auswirkungen des Schnellladens wirksam abmildern.
III. Technische Strategien zum Ausgleich von Effizienz und Lebensdauer
Um ein Gleichgewicht zwischen Schnellladeeffizienz und Batterielebensdauer zu finden, haben Industrie und Unternehmen eine Reihe technischer Strategien verabschiedet.
Im Hinblick auf Materialinnovationen nutzt die ultraschnelle Ladetechnologie von CATL eine Ultra-Elektronennetzwerk-Kathodentechnologie und eine Graphit-Schnellionenring-Anodentechnologie der zweiten-Generation, wodurch die elektrochemische Reaktionseffizienz und die Ladeeffizienz weiter verbessert werden. Das Ultra--Elektronennetzwerk mit seiner vollständig nanometerisierten Materialoberfläche baut ein gut-verbundenes Elektronennetzwerk auf, das die Reaktionsgeschwindigkeit des Kathodenmaterials auf Ladesignale und die Lithiumionen-Desorptionsrate erheblich verbessert. Die durch schnelle Ionenringe-modifizierte poröse Beschichtungsschicht auf der Oberfläche des Anodenmaterials bietet zahlreiche aktive Stellen für den Lithiumionenaustausch und erhöht so die Geschwindigkeit des Lithiumionen-Ladungsaustauschs und die Einbettungsrate erheblich.
Im Bereich Batteriestrukturdesign entwickelte das Team von Professor Chao-Yang Wang eine „All-Klimabatterie. Sie fügten eine 50-Mikrometer-dicke Nickelfolie in die Batterie ein, die sich effektiv selbst-erwärmen kann. Wenn der Strom bei niedrigen Temperaturen eingeschaltet wird, fließt er durch die Nickelfolie und erzeugt dabei Wärme. Sobald die Innentemperatur der Batterie 60 Grad überschreitet, wird der Temperatursensor ausgelöst, um den Stromfluss durch die Nickelfolie zu unterbrechen. Dieser Akku kann sich innerhalb von 30 Sekunden auf 60 Grad erhitzen, ohne dass seine Leistung und Lebensdauer bei normalen Temperaturen beeinträchtigt werden. Dieser Prozess erfordert weder die Unterstützung externer Heizgeräte noch die Zugabe spezieller Additive zum Elektrolyten.
Im Hinblick auf Batterie-Wärmemanagementsysteme (BMS) haben einige Autohersteller einen „Ultra-{0}}Schutzmodus für schnelles Laden“ eingeführt. Wenn die Batterieladung weniger als 20 % beträgt, wird die Ladeleistung auf 60 kW begrenzt, um Schäden an der Batterie-zu vermeiden. Andere nutzen die Batterievorheiztechnologie, die die Schnellladeeffizienz in Umgebungen mit -10 Grad um 35 % verbessert und gleichzeitig die Batterieentladungsrate um 30 % reduziert.
IV. Benutzernutzungsstrategien und Branchenausblick
Für Benutzer ist die sinnvolle Nutzung des Schnellladens von entscheidender Bedeutung für die Verlängerung der Batterielebensdauer. Professor Qilu, Direktor des New Energy Materials and Technology Laboratory an der Universität Peking, erklärte, dass Autobesitzer den Anteil der Ultraschnellladenutzung auf 40 % begrenzen sollten. Wenn es die Zeit erlaubt, sollte so oft wie möglich auf langsames Laden zurückgegriffen werden. Insbesondere sollte das ultraschnelle Laden vermieden werden, wenn der Akkuladestand unter 10 % oder über 90 % liegt, da das ultraschnelle Laden in diesem Bereich zu größeren Schäden am Akku führen kann.
Aus Branchensicht können Automobilhersteller durch kommerzielle Modellinnovationen, wie beispielsweise die Einführung eines Batterieleasingmodells, vom „Verkauf von Produkten“ zum „Verkauf von Dienstleistungen“ übergehen. Das Fahrzeugbatterie-Trennmodell kann die Sensibilität der Benutzer gegenüber Batteriegarantien verringern und gleichzeitig Unternehmen dazu anregen, den Reifegrad von Schnellladetechnologien zu verbessern.
Mit dem kontinuierlichen technologischen Fortschritt wird in Zukunft das Gleichgewicht zwischen Schnellladeeffizienz und Batterielebensdauer für Lithium-{0}Ionen-Batterien weiter optimiert. Es wird erwartet, dass das Aufkommen neuer Materialien und Technologien wie Anoden auf Silizium--Basis und Festkörperbatterien die durch schnelles Laden verursachten Probleme mit der Lebensdauer grundlegend lösen werden. Gleichzeitig wird die kontinuierliche Verbesserung intelligenter Temperaturkontrollsysteme, dynamischer Leistungsanpassung und anderer Technologien die Ladetechnologie-Revolution von Lithium-Ionen-Batterien stärker unterstützen.
Im Rahmen dieser Revolution der Ladetechnologie erreichen Lithium-{0}Ionen-Batterien nach und nach ein perfektes Gleichgewicht zwischen Effizienz und Lebensdauer. Industrie und Unternehmen müssen kontinuierlich innovativ sein und die Nutzer müssen diese auch sinnvoll nutzen, um gemeinsam die nachhaltige Entwicklung der New-Energy-Fahrzeugindustrie voranzutreiben.
