Stuttgarter Forscher vom Fraunhofer IPA haben einen kleinen Superkondensator entwickelt, der die Lebensdauer von Akkus für Elektroauto und Solarbatterien verlängern soll. Der Knackpunkt ist die Erhöhung der Energiedichte im Vergleich zu den herkömmlichen Superkondensatoren.
Stuttgarter Forscher vom Fraunhofer IPA haben einen kleinen Superkondensator entwickelt, der die Lebensdauer von Akkus für Elektroautor und Solarbatterien verlängern soll. Der Knackpunkt ist die Erhöhung der Energiedichte im Vergleich zu den herkömmlichen Superkondensatoren.
Kleine Helfer für Akkus entwickelt
Entwickler am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) in Stuttgart haben eine Lösung für höhere Zyklenzahl von Akkus für Elektroautos und Solarbatterien gefunden. Sie nennt sich Superkondensator-Puffersystem und fängt die für die Batterien schädliche Leistungsspitzen ab. Damit werden die Akkus schonender be- und entladen und die Lebensdauer verlängert sich. „In Dualspeichersystemen mit Superkondensatoren als Puffereinheit werden Batterien immer dann unterstützt, wenn kurzzeitig eine hohe Energiemenge aufgenommen oder abgegeben werden muss oder ein zeitlich ungleichmäßiger Spitzenbedarf entsteht“, beschreibt Raphael Neuhaus, Projektleiter am IPA, den grundlegenden Ansatz.
Akkus schonen
Es ist eigentlich keine ganz neue Idee. Solche Systeme werden in Straßenbahnen und Hybridbussen – wo Platz und Gewicht keine so entscheidende Rolle spielt – schon längst eingesetzt. Der Akku gibt die Energie ab oder nimmt sie auf, wenn sie gleichmäßig abgefordert wird oder zur Verfügung steht. Werden aber Leistungsspitzen abgefordert oder steht plötzlich ganz viel Energie zur Verfügung, etwa bei der Rekuperation von Bremsenergie oder bei starker Beschleunigung, werden sie in den Superkondensatoren zwischengespeichert oder von dort abgezogen. „Da die Superkondensatoren Energie rein physikalisch, anstatt chemisch speichern, lassen sie sich bis zu einer Million Mal aufladen“, weiß Raphael Neuhaus. „Heutige Akkumulatoren müssen hingegen nach lediglich 500 bis 1.500 Ladezyklen erneuert werden“, sagt er mit Blick auf Stromspeicher für Elektroautos. Indem die Batterie um ein Superkondensator-Puffersystem ergänzt wird, lasse sich ihre Lebensdauer um bis zu 200 Prozent steigern, prognostiziert der Projektleiter.
Die Forscher zielen mit ihrem dualen System von normalem Speicher und Superkondensator auf kleinere Elektroautos, wo Platz für Stromspeicher rar und das Gewicht entscheidend ist. Denn die Energiedichte der bisherigen Superkondensatoren ist noch viel zu gering, um sie auf möglichst kleinem Bauraum einzusetzen, wie er in den Elektroautos vorgegeben ist. Das System ist aber auch für stationäre Solarstromspeicher gedacht, betonen die Stuttgarter Wissenschaftler. Auch wenn die Stresssituationen für Akkus in Gebäuden weitaus seltener sind als in Elektroautos.
Auf die Nanotechnologie gesetzt
Um die Superkondensatoren weiter zu verbessern und vor allem um die Energiedichte zu erhöhen, greifen die Entwickler auf die Nanotechnologie zurück. Sie haben für ihr Superkondensator-Puffersystem Materialkompositionen auf der Basis von Nanokohlenstoffen eingesetzt. „Da diese gegenüber herkömmlichen Aktivmaterialien wie Aktivkohle eine höhere spezifische Oberfläche besitzen, ermöglichen sie beim Superkondensator eine höhere Energiedichte“, erklärt Neuhaus. „Ein weiterer Vorteil ist, die verwendeten Elektrolyten basieren auf gelösten ionischen Flüssigkeiten. Dadurch sind die sicherer, umweltfreundlicher, weniger entflammbar, wärmebeständig und lassen sich einfacher entsorgen oder wiederverwerten.“
Im Rahmen ihrer Forschungsarbeit haben die Stuttgarter Experten nicht nur verschiedene Aktivmaterialien und Stromkollektoren für die Elektroden von Superkondensatoren getestet, sondern auch geeignete Herstellungs- und Beschichtungsprozesse entwickelt und auf die Anforderungen von Nanokohlenstoffen angepasst. „Beispielsweise haben wir eine Lösung erarbeitet, um das Aktivmaterial aus Nanokohlenstoffen in stabile Dispersionen zu überführen und diese im Rolle-zu-Rolle-Beschichtungsverfahren reproduzierbar in Metallschäume zu pressen, die später zu Elektroden und schließlich Speicherzellen weiterverarbeitet werden“, beschreibt Projektleiter Neuhaus. (Sven Ullrich)
