Bei Straßenbahnen oder Hybridbussen werden oft schon Dualspeichersysteme mit Superkondensatoren eingesetzt. Die Anwendung schont die Batterie des Fahrzeugs, 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. Hier setzte das Projekt »Superkondensatoren als Puffersysteme zur Speicherung von elektrischer Energie in Automobilanwendungen (SkiPper)« des Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA an. Dabei haben die Wissenschaftler auf Basis von Nanokohlenstoffen ein neuartiges Superkondensator-Puffersystem entwickelt, das Leistungsspitzen abfängt und somit die Lebensdauer der Batterie verlängert.
„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 seien Rekuperation von Bremsenergie oder starke Beschleunigungsvorgänge. Im Vergleich zu Batterien punkten die Superkondensatoren mit ihren schnellen Ladezeiten und ihrer hohen Lebensdauer. „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 auf 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“, so Neuhaus. Ein weiterer Vorteil: Die verwendeten Elektrolyten basieren auf gelösten ionischen Flüssigkeiten. Dadurch sind die sicherer, umweltfreundlicher, weniger entflammbar, wärmebeständig und lassen sich einfacher entsorgen beziehungsweise wiederverwerten.
Die Experten haben nicht nur verschiedene Aktivmaterialien und Stromkollektoren für Superkondensator-Elektroden getestet, sondern auch geeignete Herstellungs- und Beschichtungsprozesse ermittelt und auf die Anforderungen von Nanokohlenstoffen angepasst. „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“, sagt der Projektleiter. Einen ersten Prototyp haben die IPA-Experten mit dem Projektabschluss im März realisiert. Derzeit befindet sich das System noch in der Testphase, weitere Folgeprojekte sind geplant.
