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Elektromobilität

Energiespeicher für Elektroautos im Wettstreit

| Redakteur: Stéphane Itasse

„Lithium-Ionen-Batterien gibt es schon ziemlich lang, aber mit der Anwendung für hohe Leistungsdichten hat es gedauert“, sagt Dr. Kai-Christian Möller, Fraunhofer ISC. (Bild: Itasse)
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„Lithium-Ionen-Batterien gibt es schon ziemlich lang, aber mit der Anwendung für hohe Leistungsdichten hat es gedauert“, sagt Dr. Kai-Christian Möller, Fraunhofer ISC. (Bild: Itasse)

Wie werden Elektroautos ihre Antriebsenergie mit auf die Fahrt nehmen? Für die Antwort auf diese Frage ist unter Forschern ein Wettstreit entbrannt. Zwei Konzepte wurden jetzt auf der Fachtagung „Mobilität der Zukunft – Die Rolle der Kunststoffe“ in Würzburg vorgestellt.

Die Möglichkeiten von Batterien für die Elektromobilität stellte Dr. Kai-Christian Möller vom Fraunhofer ISC in Würzburg vor. „Die Anforderungen an die Batterien sind je nach Hybridisierungsgrad sehr verschieden“ sagte er im Hinblick auf die unterschiedlichen Fahrzeugtypen – von Mikro-Hybriden wie dem 1er- oder 3er-BMW über Mild-Hybrid-Autos bis hin Plug-In-Hybriden oder Vollhybriden. Die klassische Bleibatterie komme allerdings nur noch für Mikrohybride in Frage; für alle anderen Systeme zeichne sich die Lithium-Ionen-Batterie als Energiespeicher der Wahl ab.

Viele Anforderungen an Elektroauto-Batterien

Dabei müssten die Batterieentwickler unterschiedliche Anforderungen miteinander vereinbaren: So sollen die Batterien sowohl eine hohe Energie- als auch eine hohe Leistungsdichte aufweisen, eine lange Zyklenlebensdauer und geeignete Entladecharakteristik bieten, geringe Selbstentladung und hohe Sicherheit ermöglichen, in einem akzeptablen Temperaturbereich arbeiten und schließlich nicht zu viel kosten.

Beim Vergleich der negativen Aktivmaterialien sticht laut Möller vor allem Lithium mit einem Elektrodenpotenzial von –3,05 V (gegen Normal-Wasserstoff-Elektrode) heraus. Ebenso würden Lithium-Ionen-Akkus sowohl bei Energie- als auch bei Leistungsdichte vorne liegen. Blei- und Nickel-Metallhydrid-Akkus hingegen seien bei der Leistungsdichte zu schwach. Kondensatoren und Supercaps würden die Leistungsdichte von Lithium-Ionen-Akkus zwar übertreffen, hätten aber eine zu geringe Energiedichte. „Damit können Sie vollgas vom Garagentor zum Gartenzaun fahren, aber nicht weiter“, verdeutlichte Möller.

Kondensatoren könnten Batterien im Elektroauto ergänzen

Andere Forscher haben den Kondensator hingegen keinesfalls aufgegeben, wie Dr. Joachim Steinke, Forscher am Department of Chemistry des Imperial College in London, berichtete. Er ist Mitglied einer Forschungsgruppe, die sich mit strukturellen Energiespeichern aus Verbundmaterialien beschäftigt. „Ziel ist es, Materialen zu entwickeln, die gleichzeitig mechanische Festigkeit besitzen und elektrische Energie speichern können“, erläuterte Steinke. Wenn es gelinge, eine multifunktionale Energiequelle in die Standardstruktur eines Elektroautos einzubauen, könne dadurch erheblich an Gewicht gespart werden.

Der „Ganzkörperkondensator“, den Steinke vorstellte, besteht dabei aus aktivierten Kohlefasermatten als Elektroden, einer nanostrukturierten, bikontinuierlichen Polymerphase als Elektrolyten sowie einer Glasfasermatte als Isolator. Die Forscher untersuchen seiner Aussage nach derzeit Kohlefasern, auf deren Oberfläche Kohlenstoff-Nanoröhrchen aufgetragen sind. Auch der Elektrolyt stellt eine Herausforderung für die Wissenschaftler dar. Dabei handelt es sich um eine Formulierung von Epoxidharzen, gedopt mit flüssigen Elektrolyten.

„Die Leistungsdichte stellt zurzeit die eigentliche technische Hürde dar“, räumte Steinke weiter ein. Er erwartet deshalb keinen Einsatz dieser Technik in den kommenden fünf bis zehn Jahren. Dann könnten jedoch Batterien und Superkondensatoren im Auto in neuen Komponenten verknüpft werden.

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