Das Elektroauto steht an einer leistungsstarken Schnellladesäule, doch auf der Anzeige erscheint nur ein Bruchteil der möglichen Ladeleistung. Ist der Akku kalt, kann das eine bewusste Begrenzung sein: Die Zellen nehmen Energie unter diesen Bedingungen langsamer auf. Das Batteriemanagement verringert die Ladeleistung, um ungünstige Vorgänge in der Zelle zu vermeiden.
Der Grund liegt nicht einfach darin, dass Strom bei Frost „langsamer fließt“. Beim Laden müssen sich Lithiumionen durch die Batterie bewegen und in einer Elektrode untergebracht werden. Kälte erschwert mehrere Schritte auf diesem Weg. Ein warmer Akku kann deshalb schneller laden, doch das Aufwärmen benötigt selbst Energie und Zeit.
Eine Batterie wird nicht wie ein Tank gefüllt
Eine Lithium-Ionen-Batterie besteht aus vielen Zellen. Jede Zelle hat zwei Elektroden und einen Elektrolyten, durch den sich geladene Lithiumteilchen bewegen können. Beim Laden wandern Lithiumionen von der positiven zur negativen Elektrode. In vielen heutigen Zellen besteht die negative Elektrode aus Graphit: einem Kohlenstoffmaterial mit vielen dünnen Schichten. Zwischen ihnen können Lithiumteilchen eingelagert werden.
Gleichzeitig gelangen Elektronen über den äußeren Stromkreis zur negativen Elektrode. Beim Fahren läuft die Bewegung in der Zelle umgekehrt. Die Batterie gibt elektrische Energie ab, statt sie aufzunehmen. Die Forschung am Argonne National Laboratory beschreibt diesen Ablauf und hat untersucht, wie ungleichmäßig sich Lithium beim Laden in Graphit verteilen kann.
Das Einlagern braucht Zeit. Besonders beim schnellen Laden gelangen viele Teilchen in kurzer Zeit an die Elektrode. Die Oberfläche kann dann stärker mit Lithium angereichert sein als tiefer liegende Bereiche. In einem Laborversuch beobachtete das Forschungsteam solche Konzentrationsunterschiede innerhalb einer Graphitelektrode. Ein gemessener Unterschied in dieser Zelle ist allerdings keine feste Ladegrenze für jedes Elektroauto.
Wo Kälte den Weg bremst
Sinkt die Zelltemperatur, werden die elektrochemischen Vorgänge träger. Ein Forschungsbericht von Argonne nennt mehrere Ursachen: Der Elektrolyt leitet Lithiumionen schlechter, der Widerstand an Grenzflächen steigt und die Aufnahme in Graphit verlangsamt sich. Die Batterie hat also nicht nur eine einzige Engstelle.
Eine Analogie hilft: Kommen Menschen an einem Bahnhof schneller an, als sie durch die Türen und auf die Bahnsteige gelangen, entstehen vorübergehend Staus. In der Zelle ist der Vorgang elektrochemisch komplexer, aber das Bild erklärt das Grundproblem: Der verfügbare Platz im Inneren allein sagt noch nicht, wie schnell er sich erreichen lässt.
Die Temperatur des Akkus ist dabei wichtiger als die Zahl auf dem Außenthermometer. Nach einer längeren Fahrt kann die Batterie wärmer sein als die Umgebung. Umgekehrt kühlt ein Fahrzeug, das lange draußen steht, allmählich aus. Wie schnell das geschieht, hängt unter anderem vom Aufbau des Fahrzeugs und seiner Temperaturregelung ab.
Warum sich Lithium an der Oberfläche ablagern kann
Wenn eine Graphitzelle unter ungünstigen Bedingungen mit zu hoher Stromstärke geladen wird, kann Lithium an der Oberfläche der negativen Elektrode als Metall abgeschieden werden. Fachleute nennen das Lithium-Plating. Das ist ein anderer Vorgang als die erwünschte Einlagerung zwischen den Graphitschichten.
Das US-Energieministerium beschreibt hohe Laderaten und niedrige Temperaturen als Bedingungen, unter denen dieses Problem stärker auftreten kann. Lithium, das nicht mehr für den normalen Kreislauf zur Verfügung steht, kann die nutzbare Kapazität vermindern. Starke Ablagerungen können auch ein Sicherheitsproblem darstellen.
Das bedeutet nicht, dass jede Ladung bei Frost automatisch einen Akku beschädigt. Entscheidend sind Zellaufbau, Temperatur, Ladezustand und Stromstärke. Ein Fahrzeug überwacht Betriebsgrößen und begrenzt die Leistung. Die langsame Ladung kann gerade zeigen, dass diese Schutzstrategie arbeitet.
Weshalb die starke Säule nicht immer hilft
Die Leistung auf dem Schild der Ladesäule ist ein möglicher Höchstwert des Ladepunkts. Das Auto und seine Batterie müssen diese Leistung ebenfalls aufnehmen können. Bei einem kalten Akku kann die Batteriegrenze zunächst deutlich darunter liegen. Wird die Zelle während des Ladevorgangs wärmer, kann das Fahrzeug mehr Leistung zulassen. Wie die Kurve tatsächlich verläuft, unterscheidet sich von Modell zu Modell.
Auch der Ladezustand spielt eine Rolle. Das US-Energieministerium weist darauf hin, dass viele Batterien beim Schnellladen im Bereich von 80 bis 100 Prozent ihre Leistung verringern. Ein Vergleich zweier Ladepausen ist deshalb nur sinnvoll, wenn neben der Außentemperatur auch Akkutemperatur, Anfangs- und Endstand sowie die verfügbare Leistung berücksichtigt werden.
Eine niedrige Anzeige an einer kalten Batterie beweist folglich weder einen Defekt der Säule noch einen Schaden am Akku. Umgekehrt ist Kälte nicht die einzige mögliche Erklärung: Auch der Ladepunkt, das Fahrzeug und der aktuelle Ladestand bestimmen die Leistung mit.
Was Vorwärmen bringt und kostet
Einige Elektroautos können ihre Batterie vor einer Fahrt oder einem Ladestopp vorkonditionieren, also gezielt in einen geeigneten Temperaturbereich bringen. Das US-Energieministerium empfiehlt bei unterstützten Fahrzeugen, das Vorwärmen nach Möglichkeit während des Ladens zu nutzen. Dann muss die benötigte Energie nicht ausschließlich aus dem bereits geladenen Akku kommen.
Wärmere Zellen erleichtern den Transport und die Einlagerung. Das kann die anschließende Ladepause verkürzen. Gratis ist die Wärme jedoch nicht: Wird sie unterwegs aus dem Akku erzeugt, steht diese Energie zunächst nicht mehr zum Fahren zur Verfügung. Ob sich der Zeitaufwand insgesamt lohnt, hängt von Strecke, Ausgangstemperatur, Fahrzeug und geplantem Ladestopp ab. Eine allgemeine Zahl für den Zeitgewinn lässt sich daraus nicht ableiten.
Forschung erprobt auch andere Wege. Ein im DOE-Bericht vorgestelltes Zellkonzept erwärmte eine spezielle Laborzelle für schnelles Laden kurzfristig auf ungefähr 60 Grad. Der Versuch fand unter genau beschriebenen Bedingungen statt und ist keine Empfehlung, einen Fahrzeugakku auf diese Temperatur zu bringen. Welche Temperaturen ein Serienauto anstrebt, entscheidet sein eigenes Batteriemanagement.
Für die Fahrtplanung zählt deshalb das Zusammenspiel: Unterstützt das Fahrzeug eine Batterie-Vorkonditionierung vor dem Schnellladen, kann ein geplanter Ladestopp helfen, sie rechtzeitig zu nutzen. Die Bedienung unterscheidet sich je nach Modell. Wer wissen möchte, wie sich das in die übrige Winterfahrt einfügt, findet im TZG-Winterratgeber zu Reichweite und Ladeplanung den größeren Zusammenhang.
Quellen und weiterführende Informationen
- Argonne Advanced Photon Source: Observing Li-Ion Gradients to Help Batteries Make the Grade, 2019.
- Argonne National Laboratory: Fluorinated Solvent-Based Electrolytes for Low Temperature Li-Ion Batteries, 2021.
- U.S. DRIVE: Annual Accomplishments Report 2018, Abschnitt zu schnellladenden Batteriezellen.
- U.S. Department of Energy: Winterizing Your Electric Vehicle, 2024.
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