Batterien bei Kälte: Warum ihnen im Winter die Puste ausgeht und was die Zukunft bringt

Der Winter hat seine eigenen Herausforderungen: Die Tage werden kürzer und dunkler, morgens muss die Autoscheibe freigekratzt werden und das Smartphone meldet schon nach kurzer Zeit einen niedrigen Akkustand. Woran das liegt? In den meisten Smartphones, E-Bikes und Elektroautos stecken sogenannte Lithium-Ionen-Akkus. Sie sind leicht, leistungsfähig und können viel Energie auf vergleichsweise kleinem Raum speichern. Allerdings haben auch diese kleinen Kraftpakete ihre Wohlfühltemperatur.

Um zu verstehen, warum Akkus bei Kälte schwächeln, lohnt sich ein Blick ins Innere. Dort wandern beim Laden und Entladen winzige, elektrisch geladene Lithium-Ionen zwischen zwei Elektroden hin und her. Als Transportweg dient ihnen der sogenannte Elektrolyt, eine ionenleitende Flüssigkeit. Sinkt die Temperatur, laufen diese chemischen Prozesse langsamer ab. Die Ionen bewegen sich schwerfälliger, der Widerstand in der Batterie steigt und die verfügbare Leistung nimmt ab.

Diese Leistungseinbußen haben Folgen: Wer im Sommer mit dem E-Bike mühelos seine gewohnte Strecke zurücklegt, stellt im Winter womöglich fest, dass der Akku schon vor dem Ziel nach einer Steckdose verlangt. Beim E-Auto fällt der Unterschied häufig noch stärker ins Gewicht. Wie groß der Einfluss der Kälte tatsächlich sein kann, zeigen Messungen des ADAC. Bei einem Wintertest mit Temperaturen von minus sieben Grad und wiederholten Kaltstarts sank die Reichweite der untersuchten Elektroautos im Durchschnitt um rund 40 Prozent gegenüber Fahrten bei 23 Grad.

Nicht nur die Reichweite, auch die Ladegeschwindigkeit leidet unter frostigen Bedingungen. Ist die Batterie zu kalt, begrenzt das die Ladeleistung. Deshalb verfügen viele moderne Elektroautos über eine Vortemperierung. Sie bringen den Akku bereits auf dem Weg zur Schnellladesäule auf eine höhere Temperatur. So wird aus dem frostigen Empfang an der Ladesäule wieder ein effizienter Ladestopp. 

Ein kalter Akku ist nicht automatisch ein kaputter Akku. Problematisch wird es vor allem, wenn er bei sehr niedrigen Temperaturen zu schnell geladen wird. Dann können sich die Lithium-Ionen nicht mehr schnell genug in der Elektrode einlagern. Stattdessen setzt sich metallisches Lithium an ihrer Oberfläche ab. Fachleute nennen diesen Vorgang „Lithium-Plating“. Die Folge: Ein Teil des Lithiums steht nicht mehr für die Energiespeicherung zur Verfügung. Der Akku verliert dauerhaft an Kapazität und altert schneller. 

Unsere Welt wird immer elektrischer. Überall wird Energie benötigt, die sich möglichst effizient speichern und bei Bedarf wieder abrufen lässt. Batterien sollen künftig nicht nur leistungsfähiger und langlebiger, sondern auch ressourcenschonender und möglichst kostengünstig sein.  

Natrium-Ionen-Batterien: Eine Prise Salz für die Energiewende 

Eine besonders vielversprechende Alternative setzt auf Natrium. Natrium-Ionen-Batterien funktionieren nach einem ähnlichen Prinzip wie Lithium-Ionen-Akkus. Allerdings übernehmen Natrium-Ionen den Transport der elektrischen Ladung. Der große Vorteil: Natrium ist weltweit reichlich verfügbar und kann dazu beitragen, die Abhängigkeit von knapperen und teureren Rohstoffen zu reduzieren. Ganz ohne Kompromisse geht es allerdings nicht. Natrium-Ionen-Batterien speichern weniger Energie. Für besonders reichweitenstarke Elektroautos ist das eine Herausforderung. Bei E-Rollern oder E-Bikes könnte die Technologie aber zum Einsatz kommen. 

Festkörperbatterien: Kleine Zellen mit großem Potenzial 

Weniger Gewicht, mehr Reichweite und eine höhere Sicherheit: das versprechen die sogenannten Festkörperbatterien. Während herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus überwiegend flüssige Elektrolyte verwenden, kommen bei Festkörperbatterien feste Materialien zum Einsatz. Das eröffnet neue Möglichkeiten, zum Beispiel ließe sich künftig mehr Energie auf kleinerem Raum unterbringen. Gleichzeitig kann der Verzicht auf leicht entzündliche flüssige Elektrolyte die Sicherheit verbessern. Doch bis die Technik flächendeckend ankommt, sind noch einige Hürden zu überwinden.  

Lithium-Schwefel-Batterien: Leichtgewichte mit ordentlich Energie 

Ein weiterer Hoffnungsträger bringt ein Element ins Spiel, das vielen eher aus der Chemie als aus der Elektromobilität bekannt sein dürfte: Schwefel. Bei Lithium-Schwefel-Batterien wird Schwefel als Material für die positive Elektrode eingesetzt. Schwefel ist vergleichsweise kostengünstig, breit verfügbar und ermöglicht theoretisch eine besonders hohe Energiespeicherung bei geringem Gewicht. Gerade dort, wo jedes Kilogramm zählt, könnte das spannend werden, beispielsweise in der Luftfahrt oder bei besonders leichten Fahrzeugen.

Die eine Wunderbatterie, die alle Herausforderungen auf einmal löst, gibt es bislang nicht. Doch weltweit tüfteln Forschende an neuen Materialien und Technologien, um Akkus leistungsfähiger, langlebiger und nachhaltiger zu machen. Viele der Ansätze stecken noch in der Entwicklung und müssen sich erst im Alltag beweisen. Fest steht aber: Die Batterieforschung läuft auf Hochtouren. Und wer weiß, vielleicht lassen sich unsere kleinen Energiespeicher eines Tages selbst von eisigen Wintertemperaturen nicht mehr aus der Ruhe bringen.  

Ob E-Bike oder Elektroauto: Batterien sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Umfangreiche Informationen rund um das Thema E-Mobilität finden sich auf den Energieseiten der NEW.