50 % längere Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien durch Laden mit hoher Stromstärke

Forschende entdecken eine überraschende Methode zur Verbesserung der Batterieleistung

• Warum die erste Ladung von Lithium-Ionen-Batterien wichtig ist

  • Die erste Ladung einer Batterie ist ein entscheidender Prozess, der ihre Leistung und Lebensdauer bestimmt
  • Laut einer Studie des SLAC-Stanford Battery Center erhöht eine erste Ladung mit hoher Stromstärke die Batterielebensdauer um 50 % und verkürzt die anfängliche Ladezeit von 10 Stunden auf 20 Minuten

• Verbesserung der Batterieleistung durch wissenschaftliches maschinelles Lernen

  • Das Forschungsteam nutzte wissenschaftliches maschinelles Lernen, um bestimmte Veränderungen an den Batterieelektroden zu identifizieren
  • Diese Veränderungen liefern Batterieherstellern wichtige Erkenntnisse, um Prozesse zu optimieren und Produkte zu verbessern

• Hintergrund der Studie und Zusammenarbeit

  • Die Studie wurde in Zusammenarbeit zwischen dem SLAC/Stanford-Team, dem Toyota Research Institute (TRI), dem MIT und der University of Washington durchgeführt
  • Als Teil der Nachhaltigkeitsforschung von SLAC trägt sie dazu bei, wichtige Technologien für die Energiewende kostengünstiger zu machen

• Praktische Auswirkungen auf die Batterieherstellung

  • Die Forschungsergebnisse haben praktische Auswirkungen nicht nur auf Elektrofahrzeuge und Stromnetze, sondern auch auf andere Technologien
  • Die Batterieherstellung ist ein kapital-, energie- und zeitintensiver Prozess, der sich nur schwer optimieren lässt
  • Die Ergebnisse zeigen einen allgemeinen Ansatz auf, um einen wichtigen Schritt in der Batterieherstellung zu verstehen und zu optimieren

Die „squishy layer“ als Schlüssel zur Batterieleistung

• Verständnis der frühen Zyklisierung von Batterien

  • Das Forschungsteam fertigte Pouch-Zellen an, bei denen Kathode und Anode von einer Elektrolytlösung umgeben sind
  • Beim Laden der Batterie wandern Lithium-Ionen zur Anode und werden dort gespeichert
  • Beim Entladen der Batterie wandern Lithium-Ionen zur Kathode und lassen Elektronen fließen

• Die Bedeutung der SEI-Schicht

  • Während der ersten Ladung wird ein Teil des Lithiums inaktiv und bildet eine SEI-Schicht (Solid Electrolyte Interphase)
  • Die SEI-Schicht schützt die Anode und verlängert dadurch die Lebensdauer der Batterie

Hohe Ladestromstärken verbessern die Batterieleistung

• Probleme des bisherigen Ladens mit niedriger Stromstärke

  • Hersteller führen die erste Ladung in der Regel mit niedriger Stromstärke durch, um die SEI-Schicht zu bilden
  • Das Laden mit niedriger Stromstärke ist jedoch zeitaufwendig und teuer

• Vorteile des Ladens mit hoher Stromstärke

  • Das Forschungsteam bestätigte aktuelle Studienergebnisse, wonach Laden mit hoher Stromstärke die Batterieleistung nicht verschlechtert
  • Laden mit hoher Stromstärke erhöht die Batterielebensdauer um 50 % und steigert den anfänglichen Anteil inaktivierten Lithiums

• Optimierung durch wissenschaftliches maschinelles Lernen

  • Das Forschungsteam nutzte wissenschaftliches maschinelles Lernen, um die entscheidenden Faktoren zu identifizieren
  • Temperatur und Ladestrom erwiesen sich als die wichtigsten Faktoren

Über SLAC

• SLAC National Accelerator Laboratory
  • SLAC ist ein Forschungslabor, das die grundlegenden Prinzipien von Universum und Materie erforscht und leistungsfähige Werkzeuge entwickelt
  • Auf Basis von mehr als 60 Jahren Forschung erschließt es die Zukunft in Bereichen wie Quantentechnologien, wissenschaftlichem Computing und der Entwicklung von Beschleunigern der nächsten Generation

Zusammenfassung von GN⁺

• Diese Studie zeigt einen Weg, die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien um 50 % zu verlängern, indem der erste Ladevorgang optimiert wird
• Mithilfe wissenschaftlichen maschinellen Lernens wurden die entscheidenden Faktoren identifiziert und optimale Ladebedingungen gefunden
• Die Ergebnisse liefern Batterieherstellern wichtige Erkenntnisse, um Prozesse zu verbessern und Kosten zu senken
• Die Studie könnte praktische Auswirkungen nicht nur auf Elektrofahrzeuge und Stromnetze, sondern auch auf andere Technologien haben
• Vergleichbare Produkte mit ähnlicher Funktion sind etwa Batterietechnologien von Tesla und Batterielösungen von Panasonic

[GN⁺]

Hacker-News-Kommentare

• Aufgrund meiner Erfahrung in der Industrie bin ich dieser Studie gegenüber etwas skeptisch. Mit anderen anfänglichen Ladebedingungen hätte man möglicherweise eine bessere Leistung erzielen können.

  • Ich frage mich, wie stark ein Zuwachs der SEI die Impedanz der Zelle verändert und welche Auswirkungen das auf die Kapazität hat.

• Wenn dieses Ergebnis in der Produktion bestätigt wird, ist das eine sehr interessante Entdeckung. Eine versteckte Prozessvariable wird damit klar sichtbar.

• Ich konnte vollständig entladene Lithium-Batterien wiederbeleben, indem ich sie für ein paar Sekunden mit vollständig geladenen Batterien verbunden habe.

• TLDR: Während der anfänglichen „Formation“-Ladung der Batterie wird ein Teil des Lithiums deaktiviert und bildet eine Schutzschicht (SEI) um die Anode. Die Studie fand heraus, dass bei Verwendung eines höheren anfänglichen Ladestroms 30 % zu SEI werden. Das verringert die Batteriekapazität, verstärkt aber die Schutzschicht der Elektrode und sorgt über die Ladezyklen hinweg für eine bessere Lebensdauer.

• Wenn eine gute SEI-Schicht wichtig ist, frage ich mich, ob man die Schicht nicht schon vor der Montage der Batterie auf der Elektrode vorformen könnte. Dann ließe sich die Form der Schicht womöglich gleichmäßiger gestalten.

• Verwirrend ... ich frage mich, ob das eine Vorhersage ist oder experimentell verifiziert wurde.

• In einer aktuellen Arbeit wurde festgestellt, dass das Laden mit dem doppelten Strom in einer 2khz-Rechteckwelle die Batteriealterung fast verschwinden lässt.

• Was bedeutet Batterielebensdauer? Kapazitätsdegradation oder zufällige Ausfälle?

  • Wenn die Entdeckung die Kapazitätsdegradation verlangsamt, aber EV-Batterien dafür 100-mal wahrscheinlicher spontan ausfallen ($$$), dann ist das keine echte Verbesserung. Für Verbrauchergeräte könnte es in Ordnung sein.

• Vermutlich wird die Mikrostruktur eingebrannt, damit sich die Filamentbildung stabiler ausprägt, ähnlich wie Hochspannung Holz graviert.

• TL;DR Ein hoher Strom führt dazu, dass sich auf der Anode eine andere Schicht bildet (und natürlich schneller). Bisher dachte man, dass eine langsame anfängliche Ladung zu einer besseren Formation führt. Das ist eine inkrementelle Verbesserung durch Prozessanpassung, keine grundlegende Veränderung.