Dank Supercaps: Starthilfe verlängert das Leben der E-Auto-Batterie

Dank Supercaps: Starthilfe verlängert das Leben der E-Auto-Batterie

von Angela Schmid

Kondensatoren könnten das Leben von E-Auto-Akkus verdreifachen.

"Supercaps", auf Deutsch Doppelschichtkondensatoren, sind fast unverwüstliche Stromspeicher: Sie können eine Million Mal be- und entladen werden, bevor sich ihre Lebensdauer dem Ende zuneigt. Selbst extreme Temperaturen von bis zu -40 °C halten sie aus. Sie können im Vergleich zu herkömmlichen Akkus große Energiemengen innerhalb weniger Sekunden aufnehmen und genauso schnell wieder abgeben. Außerdem brauchen Supercaps weniger als 60 Sekunden, bis sie aufgeladen sind.

Dass sie trotzdem nicht in allen Elektrogeräten verbaut sind, liegt an einem Haken: Ihre Speichermenge ist stark begrenzt und liegt bei lediglich etwa fünf Prozent des Energiegehalts von Lithium-Ionen-Batterien. Ein Smartphone mit Supercaps würde nach wenigen Stunden den Geist aufgeben.

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Bei Straßenbahnen oder Hybridbussen werden Superkondensatoren allerdings bereits zusammen mit anderen Speichern eingesetzt. Die vielen Starts und Stopps sind für den Einsatz der Supercaps ideal. Jedes Mal, wenn der Fahrer bremst, wird die Bewegungs- in elektrische Energie umgewandelt, blitzschnell in dem Superkondensator gespeichert und bei Bedarf genauso schnell wieder abgerufen. Noch ist der Markt aufgrund der höheren Kosten aber verhalten.

In Elektroautos werden solche Superkondensatoren noch nicht eingebaut. Auch hier sind die höheren Kosten für den Kondensator und die dafür notwendige Elektronik der ausschlaggebende Grund. Doch das wird sich nach Ansicht von Raphael Neuhaus vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA ändern, wenn mehr Elektroautos auf dem Markt sind und die ersten Besitzer von Elektroautos ihre Batterien nach etwa 1500 Zyklen austauschen müssen. Denn ein Austausch einer Batterie ist eine kostspielige Angelegenheit. Je nach Leistung kann ein Batteriesystem leicht 10.000 Euro und mehr kosten.

In Kombination mit Lithium-Ionen-Speicher können Supercaps in Elektroautos Leistungsspitzen wie beim Anfahren abfangen und den herkömmlichen Speicher schonen, dem eine dauerhaft starke Entladung schadet. Auch der Wirkungsgrad der Energieaufnahme durch Rekuperation beim Bremsen kann sich durch ein solches Dualspeichersystem erhöhen. "Die Anwendung schont die Batterie des Fahrzeugs und die Lebensdauer würde sich dadurch erhöhen", erklärt Neuhaus.

Verdreifachen Supercaps die Lebensdauer?Am IPA werden Superkondensator-Puffersysteme auf Basis von Nanokohlenstoffen und Graphen entwickelt. Würde die herkömmliche Batterie damit ergänzt, lasse sich ihre Lebensdauer um bis zu 200 Prozent steigern, erklärt Neuhaus. Nanomaterialien haben gegenüber herkömmlichen Aktivmaterialien wie Aktivkohle eine höhere spezifische Oberfläche und ermöglichen beim Superkondensator eine höhere Energiedichte. Ein weiterer Vorteil: Die verwendeten Elektrolyten basieren auf gelösten ionischen Flüssigkeiten. Das bedeutet: Sie sind sicherer, umweltfreundlicher, weniger entflammbar, wärmebeständig und lassen sich einfacher entsorgen oder wiederverwerten.

Einen ersten Prototyp haben die IPA-Experten bereits realisiert. Bis zur Marktreife wird es nach Ansicht des Projektleiters aber noch zwei bis fünf Jahre dauern. Vorerst wollen die Forscher noch die Energiedichte auf etwa 15 bis 20 Wattstunden pro Kilogramm erhöhen. Bisher liegt sie bei maximal zehn Wattstunden.  Zum Vergleich: Lithium-Ionen-Akkus kommen auf bis zu 190 Wattstunden pro Kilogramm.

Wundermaterialien im Einsatz: Graphen und Nano-KohlenstoffErreicht werden soll dies durch den Einsatz von Graphen und Kohlenstoffnanoröhrchen (kurz CNT). Unter den Forschern gelten diese Nanomaterialien als wahre Wundermittel. Die Forschungen laufen auf Hochtouren. Graphen ist reißfester als Stahl, transparent, leitet elektrischen Strom und lässt sich zu winzigen Halbleitern formen. Flexible Displays, bessere Batterien und leistungsfähigere elektronische Bauteile versprechen sich die Forscher von den Graphitfocken. Die Europäische Union hat die Graphen-Erforschung zu einem ihrer wichtigsten Projekte gemacht, das zehn Jahre lang mit jeweils einer Milliarde Euro gefördert wird.

So vielversprechend Nanomaterialien auch sind. Das Problem ist bisher die Herstellung. Sie ist viel zu teuer, da sie nur aufwändig im Labor stattfindet. Einen großindustriellen Prozess gibt es dafür nicht. Ist dies aber geschafft, werden mit Nanomaterialien hergestellte Supercaps den heutigen Kondensatoren in puncto Energie- und Leistungsdichte überlegen sein. Auf detaillierte Zahlen möchte sich Neuhaus noch nicht festlegen.

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