Die Lösung für eisige Temperaturen
Winterwetter macht batteriebetriebenen Geräten seit Langem zu schaffen. Smartphones fallen auf Skiausflügen unerwartet aus, Drohnen stürzen aus eisiger Höhe ab und Fahrer von Elektroautos beobachten, wie die geschätzte Reichweite mit sinkenden Temperaturen einbricht. Ursache dieser Ausfälle sind grundlegende Grenzen der herkömmlichen Lithium-Ionen-Chemie: Kälte verlangsamt die für die Stromversorgung notwendige Ionenbewegung und verringert die verfügbare Kapazität unter extremen Bedingungen um die Hälfte oder mehr. Für Menschen in nördlichen Klimazonen ist der Frust darüber, dass Geräte ausgerechnet dann versagen, wenn sie am dringendsten gebraucht werden, zu einem akzeptierten saisonalen Ärgernis geworden. Nun gibt ein Team chinesischer Forscher an, diese Einschränkungen durch eine radikale Neuentwicklung des Batterieelektrolyten überwunden zu haben. Dieses entscheidende chemische Medium transportiert Ionen zwischen den Elektroden und dient innerhalb der Zelle als Leitbahn für den Energietransfer.
Inhalt
In einer Studie, die im vergangenen Monat in der renommierten Fachzeitschrift Nature veröffentlicht wurde, beschrieben Wissenschaftler der Universität Nankai und des Shanghai Institute of Space Power-Sources einen neuen Elektrolyten auf Hydrofluorkohlenstoffbasis. Er ermöglicht Lithium-Metall-Batterien eine Energiedichte von mehr als 700 Wattstunden pro Kilogramm bei Raumtemperatur und einen stabilen Betrieb bei Temperaturen von bis zu minus 70 Grad Celsius. Zum Vergleich: Herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien erreichen bei Raumtemperatur typischerweise etwa 136 Wattstunden pro Kilogramm; bei Temperaturen unter null sinkt ihre Leistung auf weniger als 68 Wattstunden pro Kilogramm. Der Fortschritt könnte die Speicherkapazität bei gleichem Batteriegewicht verdoppeln oder verdreifachen und damit zwei der hartnäckigsten Hindernisse in der Energiespeicherung angehen: Energiedichte und Zuverlässigkeit bei Kälte. Die Forschung stellt jahrzehntelang geltende Annahmen zur Elektrolytchemie infrage und bietet zugleich eine skalierbare Lösung für die Energiespeicherung der nächsten Generation.
Molekulare Koordination neu gedacht
Im Kern jeder Batterie befindet sich der Elektrolyt, der geladene Teilchen zwischen der positiven und der negativen Elektrode fließen lässt. Herkömmliche Elektrolyte für Lithiumbatterien basieren auf Carbonatlösungsmitteln mit Sauerstoffatomen. Dank starker Ion-Dipol-Wechselwirkungen können sie Lithiumsalze wirksam lösen. Diese Koordinationschemie mit Sauerstoff dominiert die Branche seit Jahrzehnten, weil sie gelöste Salze stabilisiert. Sie bringt jedoch erhebliche Nachteile mit sich, die die Gesamtleistung begrenzen. Die starke Wechselwirkung zwischen Lithium und Sauerstoff erschwert den Ladungstransfer an der Elektrodenoberfläche und begrenzt die Leistung bei Kälte. So entsteht ein Engpass sowohl für die Energiedichte als auch für den Betrieb bei niedrigen Temperaturen. Zudem benötigen diese Materialien große Mengen an Elektrolyt, was Gewicht und Volumen erhöht. Unter thermischer Belastung gelingt der Ladungstransfer dennoch nur unzureichend.
Das Forschungsteam um Jun Chen und Qing Zhao von der Universität Nankai sowie Yong Li vom Shanghai Institute of Space Power-Sources stellte die langjährige Annahme infrage, dass Liganden auf Sauerstoffbasis für wirksame Elektrolyte unverzichtbar sind. Die Forschenden entwickelten und synthetisierten neuartige fluorierte Kohlenwasserstoff-Lösungsmittelmoleküle und verwendeten dabei insbesondere 1,3-Difluorpropan als Kernbestandteil. Diese Verbindung erzeugt ein Koordinationssystem auf Fluorbasis, das die herkömmliche Lithium-Sauerstoff-Wechselwirkung durch schwächere Lithium-Fluor-Bindungen ersetzt. Die schwächere Koordination erleichtert den Ionenfluss und senkt die Auflösungsbarrieren. Dadurch wird der Ladungstransfer auch unter extremer thermischer Belastung beschleunigt, während das System mit kleineren Elektrolytmengen auskommt.
Die in der Nature-Veröffentlichung aufgeführten technischen Daten verdeutlichen das Ausmaß dieser chemischen Veränderung. Der Hydrofluorkohlenstoff-Elektrolyt weist mit 0,95 Millipascalsekunden eine außergewöhnlich niedrige Viskosität und eine hohe Oxidationsstabilität von mehr als 4,9 Volt auf. Bei minus 70 Grad Celsius erreicht er eine Ionenleitfähigkeit von 0,29 Millisiemens pro Zentimeter. Mit ihm erzielen Lithium-Metall-Pouchzellen einen coulombischen Wirkungsgrad – ein Maß für die Effizienz des Ladungstransfers während der Ladezyklen – von 99,7 Prozent bei Raumtemperatur und 98 Prozent bei minus 70 Grad Celsius. Die Fluorliganden mit gezielt herbeigeführter sterischer Hinderung ermöglichen es, mehr als 2 Mol Salz pro Liter zu lösen. Das stellt bisherige Annahmen über die Möglichkeiten fluorierter Kohlenwasserstoffe infrage.
Reichweitenangst hat ihren Gegner gefunden
Die praktischen Folgen für den elektrischen Verkehr sind erheblich und liegen für alle auf der Hand, die wegen der Langstreckentauglichkeit oder der Winterleistung zögern, ein Elektroauto zu kaufen. Mit aktuellen Batterien erreichen E-Autos unter optimalen Bedingungen typischerweise eine Reichweite von 500 bis 595 Kilometern. Bei Kälte sinkt sie deutlich, wenn Heizsysteme Strom verbrauchen und chemische Reaktionen langsamer ablaufen. Li Yong, Forscher am Shanghai Institute of Space Power-Sources, zufolge könnte die neue Technologie die Reichweite erheblich erhöhen und zugleich die Leistung bei Frost aufrechterhalten. In einem Interview mit der Science and Technology Daily, einer offiziellen Zeitung des Ministeriums, erläuterte Li das Veränderungspotenzial des Durchbruchs für Anwendungen im Alltag.
„Bei einer zwei- bis dreifach höheren Energiespeicherkapazität bei Raumtemperatur und gleichem Batteriegewicht kann die Reichweite von Elektroautos von 500 bis 600 Kilometern auf mehr als 1.000 Kilometer steigen“, sagte Li. Mit einer einzigen Ladung ließen sich dann rund 1.000 Kilometer zurücklegen – ungefähr die Entfernung zwischen Denver und Dallas. Damit wäre die Reichweitenangst auf langen Strecken und bei Fahrten zwischen Städten praktisch beseitigt.
Über die reine Reichweite hinaus wirkt die Technologie dem saisonalen Leistungsabfall entgegen, der die Verbreitung von Elektroautos in kälteren Regionen bislang bremst. Herkömmliche Batterien verlieren im Winter einen erheblichen Teil ihrer Kapazität. Bei Frost reicht die nutzbare Reichweite mitunter nicht einmal mehr für die Hälfte des Nennwerts; zugleich sind energieintensive Heizsysteme nötig, um den Betrieb aufrechtzuerhalten. Der Hydrofluorkohlenstoff-Elektrolyt liefert bei minus 50 Grad Celsius noch etwa 400 Wattstunden pro Kilogramm. So bleiben Fahrzeuge auch in strengen Wintern alltagstauglich, ohne dass Batterieheizungen oder energieverbrauchende Wärmemanagementsysteme erforderlich sind. Der im Labor nachgewiesene Ladewirkungsgrad von 99,7 Prozent deutet darauf hin, dass diese Batterien ihre Ladung auch über längere Nutzungszyklen hinweg besonders gut halten.
Anwendungen jenseits der Straße
Auch wenn Anwendungen im Automobilbereich unmittelbar große Aufmerksamkeit auf sich ziehen, betonen die Forschenden, dass die Technologie weit über Pkw hinausreicht und für spezielle industrielle sowie wissenschaftliche Einsatzgebiete infrage kommt. Das Shanghai Institute of Space Power-Sources untersteht der China Aerospace Science and Technology Corporation. Daher bieten sich Anwendungen für Raumfahrzeuge, Satelliten und Planetensonden an, die extremen thermischen Bedingungen ausgesetzt sind. Bei ihnen können die Temperaturen innerhalb einer Umlaufbahn oder während des Einsatzes auf einer Oberfläche von großer Hitze bis zu kryogener Kälte schwanken. Hochenergiebatterien mit diesem Elektrolyten könnten die Ausdauer und Nutzlast von Aufklärungsdrohnen in der Arktis erhöhen, intelligenten Robotersystemen während der Polarnacht ohne Wärmeschutz den Betrieb ermöglichen und wissenschaftliche Geräte in antarktischen Forschungsstationen versorgen, wo herkömmliche Batterien schnell versagen.
Auch Unterhaltungselektronik könnte von der Kälteleistung profitieren. Smartphones und tragbare Geräte haben bei niedrigen Temperaturen oft mit der Akkulaufzeit zu kämpfen. Nutzer in nördlichen Regionen und beim Wintersport kennen das Problem: Geräte schalten sich unerwartet ab, obwohl sie noch einen teilweise geladenen Akku anzeigen. Die fluorbasierte Chemie könnte Geräte ermöglichen, die bei Temperaturen voll funktionsfähig bleiben, bei denen herkömmliche Batterien versagen. Das könnte die Betriebszeit von Notfunkbaken, GPS-Geräten und Kommunikationsausrüstung in abgelegenen Gebieten verlängern. Auch bei Weltraummissionen, die Temperaturschwankungen von extremer Hitze bis zu kryogener Kälte ausgesetzt sind, könnten diese Zellen für Einsätze auf dem Mond oder Mars genutzt werden. Dort ist thermische Stabilität entscheidend für den Missionserfolg, während herkömmliche Wärmemanagementsysteme ein prohibitiv hohes Gewicht mit sich bringen.
Die Vielseitigkeit geht auf die grundlegende physikalische Neuentwicklung des Elektrolyten zurück. Weil die Viskosität des Lösungsmittels verringert und seine Benetzungsfähigkeit verbessert wird, benötigt das System insgesamt weniger Elektrolyt. Das senkt das Batteriegewicht und steigert zugleich die Leistung über das gesamte Temperaturspektrum hinweg. Diese Kombination aus hoher spezifischer Energie und einem breiten Einsatztemperaturbereich bleibt bei derzeit kommerziell verfügbaren Batteriesystemen schwer erreichbar. Deshalb ist der Hydrofluorkohlenstoff-Ansatz besonders für die Luft- und Raumfahrt interessant: Dort zählt jedes Gramm, und die thermischen Bedingungen unterscheiden sich zwischen direkter Sonneneinstrahlung und Schatten erheblich.
Vom Labor ans Fließband
Trotz der vielversprechenden Ergebnisse in der begutachteten Fachliteratur stehen noch erhebliche technische Herausforderungen an, bevor diese Batterien in kommerziellen Produkten für Verbraucher zu finden sind. Das Forschungsteam räumt ein, dass die Hochtemperaturstabilität weiterentwickelt und optimiert werden muss. Der Elektrolyt überzeugt zwar bei extremer Kälte, doch für einen wirklich klimatauglichen Betrieb in heißen Wüstenregionen oder beim Schnellladen, bei dem viel Wärme entsteht, muss die Leistung und Sicherheit oberhalb von 100 Grad Celsius verbessert werden. Den Siedepunkt der Hydrofluorkohlenstoffverbindungen zu erhöhen, ohne ihre Vorteile bei niedrigen Temperaturen zu beeinträchtigen, ist die nächste technische Hürde.
Im Vergleich zu üblichen Entwicklungszyklen für Batterien ist der Zeitplan für die Kommerzialisierung ambitioniert. Branchenkreisen zufolge streben chinesische Hersteller, darunter das Shanghai Institute of Space Power-Sources, bis Ende 2026 eine Massenproduktion an. Der ehrgeizige Zeitplan spiegelt Chinas übergeordnete Strategie wider, seine führende Stellung in der weltweiten Batterieproduktion und bei sauberer Energietechnik zu behaupten. Das Land kontrolliert derzeit rund 60 Prozent der globalen Fertigungskapazitäten für Lithium-Ionen-Batterien und investiert weiter stark in die Grundlagenforschung, um Technologien der nächsten Generation für sich zu erschließen. Die Entwicklung ergänzt weitere jüngste Innovationen aus China, darunter wässrige Batterien mit Tofusole, die für stationäre Netzspeicheranwendungen 120.000 Ladezyklen erreichen. Das deutet auf einen umfassenden Ansatz für Fortschritte bei der Energiespeicherung hin, der verschiedene chemische Systeme und Anwendungen einschließt.
Die Zusammenarbeit zwischen Hochschulen und Industriepartnern ist offenbar ein wesentlicher Bestandteil der Kommerzialisierungsstrategie. Chen Jun, Mitglied der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und Vizepräsident der Universität Nankai, betonte in jüngsten Aussagen zum Technologietransfer, wie wichtig praktische Anwendungen gegenüber theoretischen Erkenntnissen sind.
„Wir können nicht immer im Elfenbeinturm bleiben. Unser Ziel ist es, konkrete industrielle Herausforderungen anzugehen“, sagte Chen. Sein Team hat bereits Partnerschaften mit Automobilherstellern geschlossen, um die Laborergebnisse in Antriebskomponenten zu übertragen, die den realen Bedingungen auf der Straße standhalten.
Yan Zhenhua, Professor am Chemischen Institut der Universität Nankai, zufolge geht die Technologie sowohl Sicherheits- als auch Kostenbedenken an, die traditionell mit Lithium-Metall-Batterien verbunden sind. Der selbst entwickelte Verbundelektrolyt erhöht die Eigensicherheit und verlängert zugleich deutlich die Zyklenlebensdauer. Damit könnte er den schlechten Ruf in puncto Risiko überwinden, der die Kommerzialisierung von Lithium-Metall-Batterien trotz ihrer theoretischen Vorteile gegenüber heutigen Lithium-Ionen-Architekturen bislang begrenzt hat.
Das globale Batterierennen
Der Durchbruch kommt in einer Phase, in der sich der internationale Wettbewerb um die Vorherrschaft bei der Batterietechnologie verschärft. Dessen Ausgang dürfte darüber entscheiden, wer wirtschaftlich zu den Gewinnern der Energiewende zählt. Während einige Länder mit regulatorischen Hürden und Handelsbeschränkungen versuchen, die heimische Produktion zu schützen, konzentriert sich China auf die Grundlagenforschung und eine rasche Kommerzialisierung durch staatlich unterstützte Labore und enge Partnerschaften zwischen Hochschulen und Unternehmen. Der Hydrofluorkohlenstoff-Elektrolyt bedeutet eine grundlegende Abkehr von der etablierten Chemie. Chinesische Hersteller könnten dadurch an der heutigen Technologiegeneration vorbeiziehen, statt lediglich mit schrittweisen Verbesserungen zu bestehenden Angeboten aufzuschließen. Die Beteiligung des Shanghai Institute of Space Power-Sources, einer großen staatlich unterstützten Forschungseinrichtung für die Luft- und Raumfahrt, deutet auf umfangreiche staatliche Förderung für die Skalierung dieser Innovationen hin.
Die Innovation macht deutlich, wie groß die anhaltende Lücke zwischen wissenschaftlicher Veröffentlichung und Massenproduktion in der Materialwissenschaft ist. Batterieexperten sind sich einig: Zwischen einem Nature-Artikel und einer Fertigungsstraße liegen Jahre technischer Herausforderungen, Schwierigkeiten bei der Skalierung, der Entwicklung von Lieferketten und der Kostenoptimierung. Die Beteiligung staatlich unterstützter Akteure aus der Luft- und Raumfahrt sowie der Autoindustrie lässt jedoch darauf schließen, dass erhebliche Mittel für die Überwindung dieser Hürden bereitgestellt werden, etwa für Pilotfertigungslinien und Testanlagen. Sollte dies gelingen, könnte sich das Wettbewerbsumfeld für Elektroautos verändern. Besonders gilt das für Märkte mit strengen Wintern, in denen heutige Batterietechnologien an ihre Grenzen stoßen und Verbraucher dem Umstieg naturgemäß zurückhaltend gegenüberstehen.
Für Verbraucher, die über den Umstieg auf ein Elektroauto nachdenken, deutet die Entwicklung darauf hin, dass die nächste Fahrzeuggeneration ab 2027 oder 2028 tatsächlich grundlegende Verbesserungen bei Reichweite und Zuverlässigkeit bieten könnte, statt nur schrittweise Fortschritte. Eine Reichweite von 965 Kilometern in Verbindung mit Wintertauglichkeit geht auf die beiden häufigsten Einwände gegen Elektroautos bei Käufern aus der breiten Bevölkerung ein. Lu Tianjun, Geschäftsführer von China Automotive New Energy Battery Technology, erklärte zu verwandten Entwicklungen bei fortschrittlichen Batterien in China, die Leistung liege etwa 50 Prozent über der heutiger Verbraucherprodukte. Damit befänden sich diese Batterien sowohl im Inland als auch international auf Spitzenniveau. Zugleich könnten Elektroautos für lange Strecken tatsächlich besser geeignet werden als Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor.
Auf einen Blick
- Chinesische Forschende haben einen Elektrolyten auf Hydrofluorkohlenstoffbasis entwickelt, mit dem Lithium-Metall-Batterien eine Energiedichte von mehr als 700 Wattstunden pro Kilogramm erreichen. Das ist mehr als doppelt so viel wie bei herkömmlichen Lithium-Ionen-Zellen.
- Die Technologie funktioniert bei Temperaturen von bis zu minus 70 Grad Celsius und erreicht bei minus 50 Grad Celsius noch etwa 400 Wattstunden pro Kilogramm.
- Elektroautos mit diesen Batterien könnten mit einer einzigen Ladung mehr als 1.000 Kilometer weit fahren. Derzeit liegt die typische Reichweite bei etwa 500 bis 595 Kilometern.
- Der Durchbruch ersetzt die herkömmliche Koordinationschemie mit Sauerstoff durch fluorbasierte Liganden. Als zentrales Lösungsmittel wird insbesondere 1,3-Difluorpropan verwendet.
- Forschungsteams der Universität Nankai und des Shanghai Institute of Space Power-Sources veröffentlichten ihre Ergebnisse am 25. Februar 2026 in der Fachzeitschrift Nature.
- Die Hochtemperaturstabilität ist weiterhin begrenzt und muss verbessert werden, bevor die Technologie für alle Klimazonen geeignet ist.
- Die Massenproduktion soll Ende 2026 anlaufen. Mögliche Anwendungen reichen von Elektroautos über Luft- und Raumfahrt, Drohnen und Robotik bis zur Erforschung des Weltraums.
