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fraunhofer0314Forschungsbericht

Ein Hindernis auf dem Weg zum Massenmarkt von Elektroautos sind die langen Ladezeiten der Batterien, die mit einem üblichen Tankvorgang nicht vergleichbar sind. Neuartige Superkondensatoren mit Nanomaterialien, entwickelt vom Fraunhofer-Institut und zehn Partnern, sollen den Weg zum Massenmarkt ebnen. Sie können deutlich mehr Energie speichern als derzeit verfügbare Modelle.


Diese alternativen Stromspeicher laden und entladen schnell und unterstützen den sparsamen Umgang mit Energie im Elektroauto. Beim Bremsen wird bisher bei Verbrennungsmotoren Bewegungsenergie in Wärme umgewandelt, die jedoch ungenutzt verpufft. In Stromern dagegen wandeln Generatoren die Bewegungs- in elektrische Energie um, die von Superkondensatoren blitzschnell aufgenommen und gespeichert werden kann. Im Gegensatz zu Batterien sind sie in Sekunden geladen und liefern den elektrischen Strom bei Bedarf zurück an Klimaanlage, Radio und Co.

Energiedichte optimieren

Wichtige Eigenschaften der schnellen Speicher sind Energie- und Leistungsdichte – also Energie, beziehungsweise Leistung pro Masse. Hierin liegt auch die Herausforderung: Superkondensatoren verfügen zwar über eine hohe Leistungsdichte, ihre Energiedichte muss jedoch optimiert werden. Hier sind sie bestehenden Batterietechnologien unterlegen, ihre Energiespeicherkapazität ist geringer. Beim Speichervorgang mit den Superkondensatoren wird die elektrische Energie in den Elektroden aufgenommen. Je größer die nutzbare Fläche der Elektroden entwickelt wird, desto mehr Energie kann gespeichert werden.

In zahlreichen Tests untersuchten der Forscher und sein Team das Nanomaterial Graphen. Mit seiner extrem hohen spezifischen, sprich der messbaren inneren Oberfläche von bis zu 2600 m2/g und seiner hohen elektrischen Leitfähigkeit bietet es sich als Elektrodenmaterial geradezu an. Dem bislang verwendeten Werkstoff Aktivkohle mit einer spezifischen Oberfläche zwischen 100 und 800 m2/g ist es deutlich überlegen. Graphen bestehen aus einem ultradünnen, einlagigen Netz von Kohlenstoffatomen. Es vergrößert die Oberfläche der Elektroden erheblich. Der Raum zwischen den Elektroden ist mit einem flüssigen Elektrolyt gefüllt. Hierbei setzen die Forscher auf ionische Flüssigkeiten. Graphen basierte Elektroden in Kombination mit ionischen Elektrolyten seien die ideale Materialkombination.

Neues Herstellungsverfahren

Indem die Forscher die Graphen-Schichten so zueinander anordneten, dass zwischen den einzelnen Lagen ein Abstand besteht, konnten sie ein Herstellungsverfahren etablieren, durch das die theoretisch verfügbare Oberfläche des Nanomaterials auch tatsächlich nutzbar wird. Es verhindert, dass sich die einzelnen Graphen-Schichten verbinden. Denn das hätte zur Folge, dass sich die Speicherfläche verringern würde und damit auch die speicherbare Energiemenge. Die entwickelten Elektroden besitzen bereits heute eine um 75 % höhere Speicherkapazität im Vergleich zu kommerziell verfügbaren Elektroden, die bisher in Superkondensatoren eingesetzt werden. Man geht davon aus, dass im Auto der Zukunft eine Batterie mit vielen, räumlich verteilten Kondensatoren gekoppelt sein wird, die etwa die Steuerung von Klimaanlage, Navigationssystem und Spiegeln übernehmen, so dass die Batterie entlastet und Spannungsspitzen beim Anlassen des Autos abgefangen werden können. Die Batterie ließe sich somit auch kleiner bauen.

Um die neue Technologie präsentieren zu können, hat das Projektkonsortium einen Demonstrator des Energiespeichers entwickelt. Er ist im Autospiegel angebracht und sorgt für die richtige Einstellung desselben. Das energieautarke System wird über eine Solarzelle geladen.
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