Neues Li‑Ion‑Design ermöglicht schnelles Laden von Elektrofahrzeugen bei Kälte

Der globale Markt für Elektrofahrzeuge (EV) verzeichnet ein starkes Wachstum, wobei jedes fünfte verkaufte Auto elektrisch ist. 

Im vergangenen Jahr stieg die Zahl der verkauften EVs um 25 %, und damit machten EVs 21 % aller Autoverkäufe weltweit aus.

Dieses Wachstum wird durch die Verbrauchernachfrage angetrieben, die sich um den Klimawandel sorgt, durch politische Unterstützung von Regierungen weltweit, zunehmenden Preisdruck, die Erschwinglichkeit von EVs und Verbesserungen der Batterietechnologie.

Im Batteriebereich sind Lithium‑Ion‑Batterien die beliebteste und am weitesten verbreitete Batterietechnologie aufgrund ihres geringen Gewichts, ihrer hohen Energiedichte und ihrer langen Lebensdauer. 

Dennoch haben bestehende Li‑Ion‑Batterien trotz dieser Fortschritte in der Batterietechnologie bei niedrigen Temperaturen und Schnellladungen nur begrenzte Leistungsfähigkeit. Ihre Leistung wird ebenfalls beeinträchtigt, wenn die Elektrode zu dick ist, wobei mehrere Massentransport‑ und Grenzflächenkinetik‑Effekte gleichzeitig berücksichtigt werden müssen.

Dies führt zu Konstruktionskompromissen, die die Nutzung von Batterien in schwer zu elektrifizierenden Bereichen einschränken. Dies gilt insbesondere für extreme Umgebungen und Konfigurationen, in denen ein thermisches Management nicht realisierbar ist. 

Das bedeutet, dass die Verbesserung von Lithiumbatterien das Lösen des Trilemmas zwischen Hochenergiedichte‑Elektroden, Betrieb bei niedrigen Temperaturen und Schnellladen erfordert. 

Mit diesem Ziel haben Ingenieure der University of Michigan eine Strategie vorgestellt, die extrem schnelles Laden von bis zu 6 C bei Temperaturen von bis zu −10 °C ermöglicht. Schnellladen bei niedrigen Temperaturen verspricht, EVs in kalten Klimazonen zu verbessern. 

Das Schnellladen bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt wurde erreicht, während >3 mAh/cm² Elektrodenbeladungen beibehalten wurden. 

Dafür stellt das Team eine Strategie vor, die dreidimensionale Elektrodenarchitekturen mit einer künstlichen Festelektrolyt‑Schnittstelle (SEI) mittels atomarer Schichtabscheidung eines Festelektrolyten (Li3BO3‑Li2CO3) integriert. 

Diese synergistische Strategie kann Grenzflächen‑ und Transportbeschränkungen unter extremen Bedingungen ohne schädliche Li‑Abscheidung bewältigen. Die Modifizierung der Elektroden zur Verbesserung des Massentransports und der Grenzflächenkinetik erhöhte ihre nutzbare Kapazität.

Laut der Studie, veröffentlicht in Joule¹, liefert sie grundlegende Einblicke in die dominierenden Mechanismen, die die Lithiumabscheidung und den Kapazitätsverlust bei niedrigen Temperaturen und Schnellladebedingungen steuern.

Schnelles Laden von EVs bei kaltem Wetter 

Die weltweite Einführung von EVs wächst seit den 2010er‑Jahren stetig. Im Jahr 2020 erlebten Elektroautos ihren großen Moment, da die Zulassungen in den wichtigsten Märkten trotz der COVID‑Pandemie zunahmen. 

EVs hatten ihr rekordjahr 2020, mit mehr als 10 Millionen von ihnen, die bis zum Jahresende auf den Straßen unterwegs waren, wobei batterieelektrische Modelle das Wachstum vorantrieben.

Seitdem sind Elektroautos noch beliebter geworden und ein häufiger Anblick auf den Straßen. Das Wachstumstempo verlangsamt sich jedoch nun. 

Laut einer AAA‑Verbraucherumfrage sank der Anteil der US‑Erwachsenen, die „wahrscheinlich“ oder „sehr wahrscheinlich“ ein neues oder gebrauchtes EV kaufen würden, von 23 % im Jahr 2023 auf 18 % im Jahr 2024. Darüber hinaus gaben 63 % an, dass sie „unwahrscheinlich“ oder „sehr unwahrscheinlich“ ihr nächstes Fahrzeug als EV kaufen würden. 

„Frühadopter, die ein EV wollten, besitzen bereits eines“, bemerkte Greg Brannon, Direktor für Automobilforschung bei AAA, letzten Sommer. „Die verbleibende Gruppe von Menschen, die noch kein EV übernommen haben, berücksichtigt Praktikabilität, Kosten, Komfort und das Eigentumserlebnis, und für manche sind das genug Hürden, um den Sprung zu einem rein elektrischen Fahrzeug zu vermeiden.“ Das Interesse verlagert sich zu Hybriden.

Der Wandel ist teilweise auf Bedenken hinsichtlich Reichweitenverlusten im Winter und langsamerem Laden zurückzuführen. Im Winter müssen Batterien warm genug sein, damit sich Elektronen bewegen können, was bedeutet, dass es eine halbe Stunde dauern kann, die Batterie zu erwärmen und zum Laden bereit zu machen. Laut Neil Dasgupta, außerordentlicher Professor für Maschinenbau und Werkstoffwissenschaften an der U‑M:

„Das Laden einer EV‑Batterie dauert selbst beim aggressiven Schnellladen 30 bis 40 Minuten, und diese Zeit verlängert sich im Winter auf über eine Stunde. Das ist der Schmerzpunkt, den wir angehen wollen.“ 

Studien haben ergeben, dass der Reichweitenverlust zwischen 10 % und 36 % liegen kann. Das Problem ist, dass bei niedrigen Temperaturen „so gut wie jede chemische Substanz langsamer wird“.

Daher entwickelten die U‑M‑Ingenieure einen modifizierten Fertigungsprozess für EV‑Batterien, der Schnellladen bei eisigen Temperaturen und hohe Reichweiten ermöglichen könnte. Mit der Lösung dieser großen Probleme kann dieser Prozess die Akzeptanz von Elektroautos weiter stärken. 

„Wir sehen diesen Ansatz als etwas, das EV‑Batteriehersteller übernehmen könnten, ohne große Änderungen an bestehenden Fabriken vorzunehmen. Zum ersten Mal haben wir einen Weg gezeigt, gleichzeitig extrem schnelles Laden bei niedrigen Temperaturen zu erreichen, ohne die Energiedichte der Lithium‑Ion‑Batterie zu opfern.“ 

– Korrespondierender Autor der Studie, Dasgupta

Durch die Nutzung dieses neuartigen Fertigungsprozesses können Li‑Ion‑EV‑Batterien sogar bei 14 °F bis zu 500 % schneller geladen werden.

Diese starke Leistung ist das Ergebnis einer Struktur und Beschichtung, die die Bildung von Lithiumabscheidungen auf den Batterieelektroden verhindert. Li‑Abscheidung ist schädlich für Batterien, da sie die Leistung durch Kapazitätsverlust und verkürzte Lebensdauer beeinträchtigt. Sie kann sogar ein potenzielles Sicherheitsrisiko in Form von internen Kurzschlüssen durch die Bildung von Lithiumdendriten darstellen. 

Durch die Verhinderung der Li‑Abscheidung ermöglichten die Modifikationen den Batterien, bis zu 97 % ihrer Kapazität zu behalten, selbst nach 100‑maligem Schnellladen bei sehr kalten Temperaturen.

Entwicklung einer Batterie mit besserer Geschwindigkeit, Reichweite & Kälteresistenz

EV‑Batterien speichern chemische Energie und wandeln sie in elektrische Energie um. Diese Umwandlung wird durch eine elektrochemische Reaktion angetrieben, die Lithium‑Ion‑Zellen mit einer Anode (negative Elektrode) und einer Kathode (positive Elektrode) verwendet, getrennt durch einen Separator und ein Elektrolyt. 

Der Elektrolyt, eine Lösung wie ein Lithiumsalz, erleichtert den Ionentransfer zwischen Kathode und Anode. Diese Ionbewegung treibt den Elektronenfluss durch einen externen Stromkreis an und erzeugt elektrische Energie, um das angeschlossene Gerät zu betreiben.

Während der Entladung, wenn die Batterie in Gebrauch ist, gibt die Anode Li‑Ionen an die Kathode ab. Beim Laden, also wenn sie an die Stromquelle angeschlossen ist, gibt die Kathode die Lithium‑Ionen an die Anode ab. Bei niedrigen Temperaturen verlangsamt sich die Ionenbewegung, was die Batterieleistung und die Ladegeschwindigkeit reduziert.

Um die Reichweite eines EVs zu erhöhen, also die Strecke, die er mit einer einzigen Ladung zurücklegen kann, haben Autohersteller die Elektrodenstärke erhöht. Dies ermöglichte längere Fahrten, bevor erneut geladen werden muss, führt jedoch dazu, dass ein Teil des Lithiums schwer zugänglich wird, was zu langsamerem Laden und weniger Leistung bei gleichem Batteriewgewicht führt.

Das U‑M‑Team verbesserte zuvor² die Ladefähigkeit der Batterie, indem es Pfade in der Anode schuf, jeweils 40 µm groß. Die Kanäle dienten als Diffusionspfade für schnellen Ionentransport.

Dafür präsentierten sie ein Laser‑Musterungs‑Verfahren zur Herstellung von 3‑D‑Graphit‑Anodenarchitekturen. Bei diesem Verfahren beschossen sie das Graphit mit Lasern, wodurch die Li‑Ionen schneller Plätze zum Einlagern fanden. Durch das tiefe Eindringen in die Elektrode stellten sie ein gleichmäßigere Ladung sicher.

Bei Tests zeigte ihr Design eine Kapazitätsretention von 91 % bzw. 86 % nach 600 Zyklen bei 4 C bzw. 6 C Laden. Ihr 3‑D‑Anodendesign ermöglichte den Zellen zudem, > 90 % Kapazität beim Schnellladen zu nutzen.

Obwohl das Laden bei Raumtemperatur deutlich beschleunigt wurde, blieb das Laden bei niedrigen Temperaturen ineffizient. Das lag an der chemischen Schicht, die sich an der Oberfläche der Elektrode durch die Reaktion mit dem Elektrolyten bildet.

„Diese Beschichtung verhindert, dass die gesamte Elektrode geladen wird, und reduziert damit erneut die Energiekapazität der Batterie.“ 

– Mitautor der Studie Manoj Jangid, Senior Research Fellow im Maschinenbau an der U‑M.

Die Lösung dieses Problems bestand darin, die Bildung der Oberflächenschicht zu verhindern, was durch Beschichtung der Batterie mit einem Material aus Lithiumborat‑Carbonat erreicht wurde. Die Beschichtung, etwa 20 nm dick, beschleunigte das Laden bei Kälte.

In Kombination mit den Kanälen wurde festgestellt, dass die Testzellen bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt 500 % schneller laden.

„Durch die Synergie zwischen den 3‑D‑Architekturen und der künstlichen Schnittstelle kann diese Arbeit gleichzeitig das Trilemma des Schnellladens bei niedrigen Temperaturen für langstreckiges Fahren lösen.“

– Erstautor Tae Cho, kürzlich promovierter Maschinenbauingenieur

Die nachfolgende Arbeit zur Entwicklung eines fabrikfertigen Prozesses wird von der Michigan Economic Development Corporation finanziert.

Die U‑M‑Ingenieurteam hat zudem Patentschutz beantragt. Inzwischen hat Arbor Battery Innovations – ein Unternehmen, an dem sowohl Dasgupta als auch die Universität finanziell beteiligt sind – die Kanaltechnologie lizenziert und arbeitet nun an deren Kommerzialisierung.

Innovatives Unternehmen

Ford Motor (F ) 

Betrachten wir nun ein innovatives Unternehmen in der Welt der Batterien und EVs, ist Elon Musks Unternehmen mit einer Marktkapitalisierung von 875,5 Milliarden $ Tesla (TSLA ) das prominenteste, hat jedoch eine schwierige Phase. Seine Aktien sind seit Jahresbeginn um 32,6 % gefallen und werden zu 261,23 gehandelt. Das Unternehmen, das keine Dividenden zahlt, verzeichnete im 1. Quartal 2025 einen Rückgang von 13 % bei den (336.681) Fahrzeugauslieferungen im Vergleich zum Vorjahr. In diesem Quartal sah sich Tesla Boykotten, Protesten und sogar strafbaren Handlungen ausgesetzt, weil CEO Musk in die Trump‑Administration involviert war.

Dann gibt es die Marktkapitalisierung von 7,1 Mrd. $ Albemarle Corporation (ALB ), einer der größten Lithiumproduzenten und entscheidend für die Lieferkette von Lithium‑Ion‑Batterien. Die ALB‑Aktien sind ebenfalls seit Jahresbeginn um fast 30 % gefallen, zahlen jedoch eine Dividendenrendite von 2,68 %.

Im EV‑Infrastrukturbereich hat ChargePoint (CHPT ), mit einer Marktkapitalisierung von 273,3 Millionen $, ebenfalls ein schwieriges Umfeld. Der Umsatz ist gesunken und die Aktien sind seit Jahresbeginn um 44,25 % gefallen, bei einem Kurs von 0,60 $.

Gibt es also Unternehmen, die tatsächlich Gutes tun? Nun, das chinesische BYD und CATL sicherlich.

Der chinesische Automobil- und Batteriehersteller verzeichnet ein erhebliches finanzielles Wachstum, berichtet einen Jahresumsatz von 107 Milliarden $ für 2024, was Tesla übertrifft. „BYD ist in allen Bereichen von Batterien, Elektronik bis hin zu neuen Energiefahrzeugen zum Branchenführer geworden, bricht die Dominanz ausländischer Marken und gestaltet die neue Landschaft des globalen Marktes neu“, sagte BYD‑Präsident Wang Chuanfu.

Im 1. Quartal 2025 verkaufte BYD hingegen fast eine Million Personenkraftwagen, ein Anstieg von 58,7 % gegenüber dem 1. Quartal 2024. Etwa 200 000 dieser Fahrzeuge wurden ins Ausland exportiert, ein Anstieg von 110,5 % gegenüber dem 1. Quartal 2024. Selbst die Aktien sind seit Jahresbeginn um satte 28,77 % gestiegen und werden zu 43,78 $ gehandelt, bei einer Dividendenrendite von 1 %.

Contemporary Amperex Technology Co., Limited (CATL) ist ein weiterer führender chinesischer Batteriehersteller, der voraussichtlich die Genehmigung der Hongkonger Börse für ein Listing im Wert von 5 Milliarden $ erhalten wird, was seine finanzielle Lage stärkt und seine Expansionspläne unterstützt.

Außerhalb Chinas hat der deutsche Automobilhersteller Volkswagen AG (VOW3.DE ) ebenfalls große Fortschritte gemacht und meldet im ersten Quartal 2025 einen Anstieg seiner globalen Auslieferungen um 1,4 % auf 2,13 Millionen Einheiten. Dieser Sprung wird durch Wachstum in Europa und den Amerikas getrieben, während die Auslieferungen im chinesischen Markt um 7,1 % zurückgingen. Dennoch werden die operativen Gewinne voraussichtlich niedriger sein, da der US‑Markt aufgrund von Befürchtungen einer globalen Rezession zurückgeht. Das Unternehmen plant zudem, die Preise nach Inkrafttreten von Trumps 25‑%‑Autozöllen zu erhöhen.

Kehren wir zum US‑Markt zurück, hier kann Ford als amerikanischer Automobilhersteller, der den Großteil seiner Autos im Inland produziert, Marktanteile gewinnen. Gegründet von Henry Ford im Jahr 1903, ist das Unternehmen gut positioniert, um von Präsident Trumps Plänen zu profitieren. Laut Präsident Andrew Frick:

„Wir bauen mehr US‑Fahrzeuge zusammen und beschäftigen mehr US‑Stundenarbeiter als jeder andere. Wir wollen hier in den USA mehr tun, nicht weniger.“

Das Unternehmen hat kürzlich ein zeitlich begrenztes Rabattangebot im Rahmen der Kampagne „From America, For America“ gestartet, um mehr Käufer anzuziehen, während andere Hersteller die Preise erhöhen, um die gestiegenen Zölle zu decken.

„Wir haben das Einzelhandelsinventar, um dies zu tun, und eine große Auswahl für Kunden, die ein Fahrzeug benötigen“, sagte Ford in einer Erklärung und nannte „unsichere Zeiten“ und „Komplexität einer sich wandelnden Wirtschaft“ als Gründe für die Maßnahme.

Jetzt, mit einer Marktkapitalisierung von 37,7 Milliarden $, werden die Ford‑Aktien zum Zeitpunkt dieses Schreibens zu 8,91 $ gehandelt, im Jahresverlauf nur um 4 % gefallen. Damit beträgt das EPS (TTM) 1,46, das KGV (TTM) 6,51 und die Eigenkapitalrendite (ROE) (TTM) 13,42 %. Zudem zahlt das Unternehmen eine attraktive Dividendenrendite von 6,32 %.

Für das 1. Quartal 2025 meldete Ford einen Rückgang seiner US‑Verkäufe um 1,3 % auf 501.291 Einheiten, bedingt durch die Einstellung einiger Modelle.

Dies erfolgt, nachdem Ford die Erwartungen für das vierte Quartal 2024 übertroffen hatte, obwohl CEO Jim Farley ein schwierigeres Jahr für das Unternehmen prognostizierte, jedoch Verbesserungen bei Kosten und Qualität versprochen wurden.

Für dieses Jahr erwartet Ford einen bereinigten Gewinn vor Zinsen und Steuern (EBIT) zwischen 7 Milliarden $ und 8,5 Milliarden $ sowie einen bereinigten freien Cashflow zwischen 3,5 Milliarden $ und 4,5 Milliarden $, vorausgesetzt „Gegenwind durch Marktfaktoren“.

Für 2024 betrug der Gesamtumsatz des Unternehmens hingegen 185 Milliarden $, der Nettogewinn 5,9 Milliarden $, bzw. 1,46 $ Gewinn pro Aktie, und der bereinigte freie Cashflow lag bei 6,7 Milliarden $.

Ford macht auch bedeutende Fortschritte im EV‑Markt, mit etwa 97.865 rein elektrisch betriebenen Fahrzeugen, die 2024 verkauft wurden – ein Anstieg von 35 % gegenüber dem Vorjahr. Der Hybridverkauf sprang um 40 % auf 187.426 Einheiten. Im 1. Quartal 2025 erreichten die EV‑Verkäufe hingegen ein Rekordhoch von 73.623. Dieses Wachstum von 26 % wurde von Hybriden (plus 33 %) und Elektrofahrzeugen (plus 12 %) angeführt.

Fazit

Batterien, ein kritischer Bestandteil von EVs, haben erhebliche Verbesserungen erfahren. Dennoch steht die Batterietechnologie weiterhin vor mehreren Herausforderungen, wie hohen Kosten, Materialengpässen, begrenzter Reichweite, langen Ladezeiten, fehlender Infrastruktur, Sicherheitsbedenken sowie ordnungsgemäßer Recycling‑ und Abfallwirtschaft. 

Die neueste Studie, mit ihrer stabilisierenden Beschichtung und mikroskopischen Kanälen, hilft, den Kompromiss zwischen Reichweite und Ladegeschwindigkeit selbst bei eisigen Temperaturen zu lösen.

Durch die signifikante Verbesserung der Ladegeschwindigkeiten zeigt diese Studie das Potenzial, eines der Haupthemmnisse für die EV‑Akzeptanz zu beseitigen – Reichweitenangst und lange Ladezeiten im Winter. Dies kann nicht nur die Nutzung von EVs beschleunigen, sondern auch den breiteren Trend der Elektrifizierung vorantreiben. Die großflächige Umsetzung des Prozesses würde jedoch Kosteneffizienz und Sicherheit gewährleisten müssen.

Insgesamt wird die Branche, die auf schnellere, effizientere und sicherere Batterien hinarbeitet, durch Innovationen wie diese die letzten Hürden zur vollständigen Elektrifizierung überwinden, was zu einer grüneren und saubereren Zukunft führt.

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Studien zitiert:

1. ​Cho, T. H., Chen, Y., Liao, D. W., Kazyak, E., Penley, D., Jangid, M. K., & Dasgupta, N. P. (2025). Er­möglichung des 6C‑Schnellladens von Li‑Ion‑Batterien bei sub‑null‑Temperaturen durch Schnittstellen‑Engineering und 3D‑Architekturen. Joule, Online veröffentlicht am 17. März 2025. https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.101881

2. Chen, K.-H., Namkoong, M. J., Goel, V., Yang, C., Kazemiabnavi, S., Mortuza, S. M., Kazyak, E., Mazumder, J., Thornton, K., Sakamoto, J., & Dasgupta, N. P. (2020). Effizientes Schnellladen von Lithium‑Ion‑Batterien ermöglicht durch lasergeprägte dreidimensionale Graphit‑Anodenarchitekturen. Journal of Power Sources, 471, 228475. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2020.228475