Neues Puffersystem schont Batterie im Elektroauto

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 Superkondensatorpuffersystem entwickelt, das Leistungsspitzen abfängt und somit die Lebensdauer der Batterie verlängert.

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.

Im Projekt SkipPer haben die IPA-Wissenschaftler die Beschichtungsprozesse für Elektroden auf die Anforderungen von Nanokohlenstoffen angepasst / Bildquelle: Fraunhofer IPA, Rainer Bez

Nach Raphael Neuhaus, Projektleiter am IPA, werden in Dualspeichersystemen mit Superkondensatoren als Puffereinheit Batterien immer dann unterstützt, wenn kurzzeitig eine hohe Energiemenge aufgenommen oder abgegeben werden muss oder ein zeitlich ungleichmäßiger Spitzenbedarf entsteht. Typische Anwendungsfälle in der Automobilindustrie sind 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. Indem die Batterie um ein Superkondensatorpuffersystem ergänzt wird, lasse sich ihre Lebensdauer um bis zu 200 Prozent steigern.

Für die Zellen des neuen Puffersystems haben die 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. Ein weiterer Vorteil: Die verwendeten Elektrolyten basieren auf gelösten ionischen Flüssigkeiten. Dadurch sind die sicherer, umweltfreundlicher, weniger entflammbar, wärmebeständig und lassen sich einfacher entsorgen beziehungsweise wiederverwerten.

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 wurde 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. 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.

http://www.ipa.fraunhofer.de