Nicht überall haben sich Elektroautos bisher gleich durchsetzen können. Die Gründe dafür sind unterschiedlich: hohe Preise, geringe Reichweiten und fehlende Stromtankstellen halten in einigen Ländern die Leute vom Kauf ab. Ein weiteres Hindernis auf dem Weg zum Massenmarkt sind die langen Ladezeiten der Batterien, die mit einem üblichen Tankvorgang nicht vergleichbar sind. Superkondensatoren, die mit Batterien gekoppelt sind, könnten den Ladevorgang künftig erheblich verkürzen.
Diese alternativen Stromspeicher laden und entladen schnell und unterstützen den sparsamen Umgang mit Energie im Elektroauto. Beim Bremsen wird bisher bei Verbrennungsmotoren Bewegungsenergie in Wärme umgewandelt, die jedoch ungenutzt verpufft. In Stromern dagegen wandeln Generatoren die Bewegungs- in elektrische Energie um, welche die Superkondensatoren blitzschnell aufnehmen und speichern. Im Gegensatz zu Batterien sind sie in Sekunden geladen und liefern den elektrischen Strom bei Bedarf zurück an Klimaanlage, Radio und Co.
Optimierte Energiedichte erhöht Speicherkapazität
Wichtige Eigenschaften der schnellen Speicher sind Energie- und Leistungsdichte – also Energie beziehungsweise Leistung pro Masse. Und hier liegt auch die Herausforderung: Superkondensatoren verfügen zwar über eine hohe Leistungsdichte, ihre Energiedichte muss jedoch optimiert werden. Hier sind sie bestehenden Batterietechnologien unterlegen, ihre Energiespeicherkapazität ist geringer. Im EU-Projekt «ElectroGraph» entwickeln zehn Partner aus Forschung und Industrie neuartige Superkondensatoren mit einer deutlich erhöhten Speicherfähigkeit.
Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart koordinierte das Projekt, das die Forschenden Mitte Jahr erfolgreich abschliessen konnten. Beim Speichervorgang wird die elektrische Energie in den Elektroden aufgenommen. Je grösser die nutzbare Fläche der Elektroden ist, desto mehr Energie kann sie speichern.
Graphen-Elektroden erhöhen Energieeffizienz deutlich
In zahlreichen Tests untersuchten die Forschenden das Nanomaterial Graphen. Mit seiner extrem hohen spezifischen, sprich der messbaren inneren Oberfläche von bis zu 2600 m²/g und seiner hohen elektrischen Leitfähigkeit bietet es sich als Elektro-denmaterial geradezu an. Dem bislang verwendeten Werkstoff Aktivkohle mit einer spezifischen Oberfläche zwischen 100 und 800 m²/g ist es deutlich überlegen. Graphen besteht aus einem ultradünnen, einlagigen Netz von Kohlenstoffatomen. Es vergrössert die Oberfläche der Elektroden erheblich.
Der Raum zwischen den Elektroden ist mit einem flüssigen Elektrolyt gefüllt. Hierbei setzen die IPA-Mitarbeitenden auf ionische Flüssigkeiten. Graphenbasierte Elektroden in Kombination mit ionischen Elektrolyten seien die ideale Materialkombination. Indem die Forschenden die Graphen-Schichten so zuein-ander anordneten, dass zwischen den einzelnen Lagen ein Abstand besteht, konnten sie ein Herstellungsverfahren etablieren, durch das die theoretisch verfügbare Oberfläche des Nanomaterials auch tatsächlich nutzbar wird.
Räumlich verteilte Kondensatoren entlasten Batterie
Das Verfahren verhindert, dass sich die einzelnen Graphen-Schichten verbinden. Denn das hätte zur Folge, dass sich die Speicherfläche verringern würde und damit auch die speicherbare Energiemenge. Die entwickelten Elektroden besitzen bereits heute eine um 75 Prozent höhere Speicherkapazität im Vergleich zu kommerziell verfügbaren Elektroden, die man bisher in Superkondensatoren einsetzt. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler gehen davon aus, dass im Auto der Zukunft eine Batterie mit vielen, räumlich verteilten Kondensatoren gekoppelt sein wird, die etwa die Steuerung von Klimaanlage, Navigationssystem und Spiegeln übernehmen. Dies würde die Batterie entlasten und Spannungsspitzen beim Anlassen des Autos abfangen können. Die Batterie liesse sich somit auch kleiner bauen.
Um die neue Technologie präsentieren zu können, hat das Projektkonsortium einen Demonstrator des Energiespeichers entwickelt. Er ist im Autospiegel angebracht und sorgt für die richtige Einstellung desselben. Das energieautarke System wird über eine Solarzelle geladen. Das Team hat den Demonstrator erstmals Ende Mai auf einem Workshop am IPA vorgestellt.
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