Batterie auf Speed

Eine Hybrid-Batterie soll die Stärken von Lithium-Ionen-Akkus und Kondensatoren verbinden: hohe Energie- und hohe Leistungsdichte. Damit ließe sich viel bisher ungenutzte Energie zurückgewinnen.

Auch die modernsten Akkus müssen passen, wenn sie sehr viel Energie in sehr kurzer Zeit aufnehmen müssen – etwa bei einer Vollbremsung. Die Weltmeister dieser Disziplin, der Leistungsdichte, sind Kondensatoren. Leider können diese im Verhältnis zu ihrem Gewicht nur relativ wenig Energie aufnehmen. Das Forschungsprojekt FastStorageBW arbeitet an einem Hybrid-Stromspeicher, der die Energiedichte eines Lithium-Ionen-Akkus mit der Leistungsdichte eines Kondensators vereinen soll. Daran beteiligt sind unter anderem das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) in Stuttgart sowie die Varta Microbattery GmbH. "Wir wollen die Zelle innerhalb der nächsten drei Jahre marktreif machen", sagt Projektleiter Peter Kitzler.

Anwendungen sehen die Forscher etwa bei Elektrofahrzeugen, die regelmäßig sehr viel Leistung aufnehmen müssen. Darunter fallen Gabelstapler oder Förderfahrzeuge in einem Hochregallager. Wenn diese schwere Pakete aus den oberen Fächern herunterheben, kann sehr viel potenzielle Energie wiedergewonnen werden – sofern die Stromspeicher mitspielen. Auf etwa 20 Prozent schätzen die Fraunhofer-Forscher das Einsparpotenzial. Ein anderes Einsatzgebiet wären elektrische Linienbusse. Wenn sie an Ladepunkten in kurzer Zeit vergleichsweise viel Energie tanken können, würden sie mit kleineren Batterien auskommen.

Der Hybrid-Stromspeicher basiert auf Elektroden, die mit unterschiedlichen Prinzipien arbeiten. Die negative besteht aus Kohlenstoff, aufgetragen auf ein Gerüst aus Nickelschaum. Das klingt zunächst unspektakulär, denn auch handelsübliche Lithium-Ionen-Zellen haben eine Kohlenstoff-Elektrode. Während der Kohlenstoff bei einer normalen Batterie aber dazu dient, Ionen im geladenen Zustand gewissermaßen Unterschlupf zu bieten, funktioniert er bei der Hybrid-Variante wie ein Kondensator: Wird eine Spannung angelegt, wandern Elektronen aus der umgebenden Elektrolyt-Flüssigkeit in den Kohlenstoff und hinterlassen dabei Leerstellen im Elektrolyt. Da beim Laden und Entladen keinerlei chemische Reaktion stattfindet, läuft der Prozess sehr schnell ab. Entsprechend hoch ist die Leistungsdichte.

Wie hoch die Energiedichte ist, also die Menge an Energie pro Kilogramm, hängt von der Kohlenstoff-Oberfläche ab. Um sie zu vergrößern, experimentieren die Forscher mit Graphen-Nanoplättchen. Sie bestehen aus einer nur ein Atom dicken Kohlenstoffschicht. Allerdings tendieren die Plättchen zum Verklumpen. Deshalb versehen die Fraunhofer-Forscher sie mit Fremdstoffen, die sie auf Abstand halten.

Parallel dazu erforschen sie, wie sich solche Kohlenstoffelektroden besser herstellen lassen. Normalerweise wird dabei eine feuchte Paste auf einen Metallträger aufgetragen. Allerdings muss diese dann energieaufwendig getrocknet werden. Auf der Suche nach einem eleganteren Verfahren wurden sie bei der Lackiertechnik fündig: Schon seit Jahren werden etwa Fahrradrahmen oder Waschmaschinen pulverbeschichtet, ohne jedes Lösungsmittel. Diese Methode soll nun auch die Elektrodenproduktion sauberer und schneller machen.

Die positive Elektrode der Hybridzelle speichert ihre Energie chemisch, indem Metall oxidiert beziehungsweise reduziert wird. Der Prozess läuft zwar nicht so schnell ab wie die physikalische Speicherung an der Kohlenstoff-Elektrode, liefert aber eine höhere Energiedichte. Um mit der flinkeren Kohle-Elektrode mithalten zu können, ist die Elektrode entsprechend größer dimensioniert.

Derzeit sucht das Konsortium nach einer Materialkombination, die den besten Kompromiss zwischen Energie- und Leistungsdichte bietet. Dabei müssen die Wissenschaftler im Auge behalten, wie sicher die verwendeten Stoffe sind. "Organische Lösungsmittel als Elektrolyt erlauben eine Spannung von bis zu 2,4 Volt", sagt Elektrochemiker Harald Holeczek vom IPA. "Wässrige Elektrolyte bringen es nur auf 1,4 Volt, sind dafür aber weniger brennbar und gesundheitsschädlich."

Ähnliches gilt für die Auswahl der Metalle. Neben Umweltfreundlichkeit kommen hier noch Faktoren wie Kosten und Verfügbarkeit hinzu. Das bremst die Verwendung von Graphen aus. Auch in ein paar Jahren werde es "noch nicht in ausreichender Menge vorhanden sein", so Peter Kitzler.

Die Elektroden der ersten Prototypen bestehen deshalb noch aus Aktivkohle und Metallhydrid. Sie bringen es auf eine Leistungsdichte von bis zu 5000 Watt pro Kilogramm und auf eine Energiedichte von 20 Wattstunden pro Kilogramm. Das liegt zwar noch deutlich unter der Energiedichte eines Lithium-Ionen-Akkus, aber laut Kitzler immerhin schon um den Faktor vier über konventionellen SuperCaps – Kondensatoren mit besonders hoher Energiedichte. (grh)