Im Projekt Skipper haben die IPA-Wissenschaftler auch die Beschichtungsprozesse für Elektroden auf die Anforderungen von Nanokohlenstoffen angepasst.
Rainer Bez/Fraunhofer IPA
Bei Straßenbahnen oder Hybridbussen werden oft schon Dualspeichersysteme mit Superkondensatoren eingesetzt, wissen die Forscher des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung IPA. Die Anwendung soll die Batterie des Fahrzeugs schonen, 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, erklären die Wissenschaftler. Sie erforschen am Fraunhofer IPA das Potenzial von Superkondensatoren als Puffersysteme seit April 2013 im BMBF-Projekt "Superkondensatoren als Puffersysteme zur Speicherung von elektrischer Energie in Automobilanwendungen (Skipper)".
Superkondensatoren auf Basis von Nanokohlenstoffen
"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", erklärt Raphael Neuhaus, Projektleiter am IPA. Typische Anwendungsfälle in der Automobilindustrie sind Rekuperation von Bremsenergie oder starke Beschleunigungsvorgänge. Im Vergleich zu Batterien sollen die Superkondensatoren mit schnellen Ladezeiten und hoher Lebensdauer punkten können. "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", sagt Neuhaus. Indem die Batterie um ein Superkondensator-Puffersystem ergänzt wird, lasse sich ihre Lebensdauer um bis zu 200 Prozent steigern.
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", erklärt Neuhaus. Die verwendeten Elektrolyten basieren auf gelösten ionischen Flüssigkeiten. Dadurch seien diese sicherer, umweltfreundlicher, weniger entflammbar, wärmebeständig und sollen sich einfacher entsorgen beziehungsweise wiederverwerten lassen.
Geeignete Beschichtungsverfahren
Wie die Forscher berichten, seien im Rahmen des Skipper-Projekts verschiedene Aktivmaterialien und Stromkollektoren für Superkondensator-Elektroden getestet und auch geeignete Herstellungs- und Beschichtungsprozesse ermittelt und auf die Anforderungen von Nanokohlenstoffen angepasst worden. "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 den Forschern zufolge aber auch für Windkraftanlagen, Solarparks und in Haushalten und Hochhäusern als dezentrale Lösungen zur Energiezwischenspeicherung. Ein erster Prototyp sei mit dem Projektabschluss im März realisiert worden. Das System befinde sich derzeit noch in der Testphase, weitere Folgeprojekte seien geplant.