Neues Puffersystem schont Batterie im Elektroauto

Im Projekt »SkipPer« haben die IPA-Wissenschaftler die Beschichtungsprozesse für Elektroden auf die Quelle: Quelle: Fraunhofer IPA, Foto: Rainer Bez (idw)

Elektromobilität steht in vielen Ländern hoch im Kurs. Allerdings weisen die Batterien der Fahrzeuge mit langer Ladezeit, schneller Entladung und hohem Verschleiß noch Schwachstellen auf. Im Projekt »SkiPper« haben die IPA-Wissenschaftler auf Basis von Nanokohlenstoffen ein neuartige Superkondensator-Puffersystem entwickelt, das Leistungsspitzen abfängt und somit die Lebensdauer der Batterie verlängert.

Die auf Nanokohlenstoffen basierenden Zellen ermöglichen beim Superkondensator eine maximale Energie Quelle: Quelle: Fraunhofer IPA, Foto: Rainer Bez (idw)

Bei Straßenbahnen oder Hybridbussen werden heutzutage oft schon Dualspeichersysteme mit Superkondensatoren eingesetzt. Die Anwendung schont die Batterie des Fahrzeugs, indem sie mit ihrer hohen Leistungsdichte extreme Belastungen abfängt. Für Elektroautos werden solche Superkondensatoren aber noch nicht eingesetzt, da die Energiedichte bislang nicht ausreicht, um die Energie auf möglichst kleinem Bauraum zwischenzuspeichern. Hier setzt das im April 2013 gestartete BMBF-Projekt »Superkondensatoren als Puffersysteme zur Speicherung von elektrischer Energie in Automobilanwendungen (SkiPper)« des Fraunhofer IPA an.

Puffersystem könnte Lebensdauer der Batterie verdoppeln

»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«, informiert Raphael Neuhaus, Projektleiter am IPA. Typische Anwendungsfälle in der Automobilindustrie seien Rekuperation von Bremsenergie oder starke Beschleunigungsvorgänge. Im Vergleich zu Batterien punkten die Superkondensatoren mit ihren schnellen Ladezeiten und ihrer hohen Lebensdauer. »Da sie Energie rein physikalisch, anstatt chemisch speichern, lassen sie sich bis zu einer Million Mal aufladen. Heutige Akkumulatoren müssen hingegen nach lediglich 500 bis 1500 Ladezyklen erneuert werden«, betont Neuhaus die Potenziale der Anwendung. Indem die Batterie um ein Superkondensator- Puffersystem ergänzt wird, lasse sich ihre Lebensdauer um bis zu 200 Prozent steigern, lobt der Projektleiter.

Energiedichte von Superkondensatoren durch Nanokohlenstoffe maximiert

Für die Zellen des neuen Superkondensator-Puffersystems haben die IPA-Wissenschaftler Materialkompositionen auf Basis von Nanokohlenstoffen eingesetzt. »Da diese gegenüber herkömmlichen Aktivmaterialien wie Aktivkohle eine höhere spezifische Oberfläche besitzen, ermöglichen sie beim Superkondensator eine höhere Energiedichte«, informiert Neuhaus. Ein weiterer Vorteil: Die verwendeten Elektrolyten basieren auf gelösten ionischen Flüssigkeiten. Dadurch sind die sicherer, umweltfreundlicher, weniger entflammbar, wärmebeständig und lassen sich einfacher entsorgen bzw. wiederverwerten.

Puffersystem eignet sich auch für Windkraftanlagen und Solarparks

Im SkiPper-Projekt haben die Experten nicht nur verschiedene Aktivmaterialien und Stromkollektoren für Superkondensator-Elektroden getestet, sondern auch geeignete Herstellungs- und Beschichtungsprozesse ermittelt 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«, erläutert der Projektleiter. Die neu entwickelten Superkondensatorzellen sollen vorrangig in Automobilen eingesetzt werden, eignen sich aber auch für Windkraftanlagen, Solarparks und in Haushalten und Hochhäusern als dezentrale Lösungen zur Energiezwischenspeicherung. Einen ersten Prototyp haben die IPA-Experten mit dem Projektabschluss im März realisiert. Derzeit befindet sich das System noch in der Testphase, weitere Folgeprojekte sind geplant. »SkiPper« ist in eine vorwettbewerbliche Forschungs- und Entwicklungskooperation im Bereich funktionaler Materialien und energierelevanter Anwendungen mit japanischen Spitzenforschern eingebettet.

Quelle: Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA (idw)