Was ist eine Hybridbatterie?

Die Hybridbatterie vereint das Beste aus zwei Welten: die Vorteile der Li-Ion-Batterie und die des Superkondensators. Allerdings ist sie im On-Highway-Bereich bislang nur für Nischenanwendungen geeignet. 

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Hybridbatterien vereinen die Energiespeicherung eines Kondensators und einer Batterie in einem System oder Modul. Der Vorteil: Sie geben größere Energiemengen langsam und beständig ab und erfüllen gleichzeitig hohe Spitzenleistungsanforderungen. Derzeit scheinen die Einsatzmöglichkeiten im Automobilbereich aber eingeschränkt zu sein. 

Generell gilt: Bei der Auslegung von Batteriesystemen muss "eine Balance zwischen großem Energieinhalt und hoher Leistung" gefunden werden, wie Richard Backhaus im Artikel Hybridbatterien – Das Beste aus zwei Welten aus der MTZ 9-2024 schreibt. "Insbesondere für Anwendungen mit kurzzeitig extrem hohen Leistungsspitzen ist das in vielen Fällen nur schwierig darstellbar. Abhilfe kann eine Kombination aus Batterie und Superkondensator bieten, die die Batterie von den Leistungsspitzen entlastet und die Dynamik der Energiebereitstellung erhöht", so Backhaus.

Es gibt Backhaus zufolge mehrere Optionen zum Aufbau der Hybridbatterie. Zum einen ließen sich Batterie und Superkondensator als diskrete Bauteile aufbauen und zusammenschalten. Damit biete sich die Möglichkeit einer aktiven Regelung der Energieströme. Zum anderen könnten Batterie- und Kondensatorfunktion in einer Komponente zusammengeführt sein. Der deutsch-estnische Energiespeicherspezialist Skeleton Technologies "ist Pionier dieser Technik und vermarktet die kombinierte Batterie- und Kondensatorzelle als 'Superbattery'", erklärt Backhaus. 

Skeletons Superbattery

Bei der sogenannten Superbattery kombiniert Skeleton "die Speichermechanismen von Lithium-Ionen-Batterien und Superkondensatoren innerhalb der Batteriezelle – konkret den kapazitiven Speicheranteil der Superkondensatoren mit den auf interkalationbasierten Speichern von Lithium-Ionen-Batterien", wie Dr. Linus Froböse, Chief Technology Officer und Managing Director bei Skeleton Technologies, im Interview "Wir sehen die Superbattery nicht in direkter Konkurrenz zur Lithium-Ionen-Batterie" aus der MTZ 6-2024 erklärt. Entscheidend sei, so Froböse, dass beide Komponenten in einen engen Kontakt miteinander gebracht werden, sodass sie zusammen als Einheit funktionieren. Die Superbattery ist wie eine konventionelle Batteriezelle aufgebaut, wobei das Unternehmens-Know-how in der Anode steckt. "In ihr sind Materialien für die kapazitive Energiespeicherung (gebogenes Graphen, 'Curved Graphene' für die Superkondensatorfunktion) und die Interkalation (Batteriefunktion) zusammengefasst", erklärt Backhaus.

Superbatteries sind für Skeleton eine Ergänzung zu Superkondensatoren und herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien. So sei eines der Hauptwachstumsfelder für Ultrakondensatoren die Hybridisierung von Batterie und Ultrakondensator, um den Weg für kleinere, langlebigere und leistungsfähigere Batteriesysteme zu bereiten. Die erste Generation der Superbattery von Skeleton soll Backhaus zufolge Ende 2024 in Serie gehen. "Sie bietet eine hohe Leistungsdichte von 4 kW/kg, eine Energiedichte von 65 Wh/kg, eine Lebenszeit von 50.000 Ladezyklen und eine Schnellladezeit von nur 60 s für die Batterie. Mit der zweiten und dritten Generation, deren Industrialisierung bis Ende 2027 geplant ist, verspricht das Unternehmen neben reduzierten Kosten durch Skaleneffekte eine doppelt so hohe Speicherleistung der Batteriezelle", erklärt Backhaus.

Einsatzfälle für die Hybridbatterie

Einsatzfälle sind Anwendungen, bei denen kurzzeitig viel Leistung vorhanden und erforderlich ist. "Das können beispielsweise Aktuatoren beim automatisierten Fahren sein oder elektrisch beheizte Katalysatoren, die beim Kaltstart des Fahrzeugs innerhalb kurzer Zeit auf Betriebstemperatur gebracht werden müssen", so Backhaus. Im Bereich der Antriebselektrifizierung biete sich die Chance, Nischenanwendungen wie Mining-Trucks, Arbeitsmaschinen oder kommunale Versorgungsfahrzeuge zu elektrifizieren. Hingegen sei das Konzept der Hybridbatterie weniger als Traktionsbatterie für Elektro- und Plug-in-Pkw geeignet. Einige Unternehmen wie FEV blicken eher kritisch auf die Hybridbatterietechnik. Der Entwicklungsdienstleister sieht die Hybridbatterie daher in "Nischen wie Rennfahrzeugen oder – aufgrund der höheren Zyklenstabilität und Temperaturakzeptanz – bei speziellen 48-V-Anwendungen", schreibt Backhaus. Denn: Im Massensegment stehe nach wie vor der Energieinhalt im Fokus.

Es lässt sich festhalten: "Vorteile für die Hybridbatterie gegenüber den derzeitigen Lithium-Ionen-Zellen ergeben sich demnach vor allem im Bereich der Leistungsdichte und im geringen Maß bei der Zyklenfestigkeit, dem Thermomanagement und der Sicherheit. Demgegenüber stünden Nachteile beim Reifegrad, der Energiedichte sowie der Selbstentladungsrate", so Backhaus. Positiv auf die künftige Entwicklung der Hybridbatterie könnte sich der derzeitige Trend zum Schnellladen von Batteriesystemen auswirken. Die Verwendung von Feststoffelektrolyten in Lithium-Ionen-Kondensatoren wäre FEV zufolge eine technische Herausforderung.