Heimische Forscher entwickeln kleine Kühlelemente, die wie ein Schwamm aufgebaut sind, der Wärme aufsaugt, sodass Autobatterien beim schnellen Laden nicht überhitzen. Getestet wird das auch in E-Rallye-Autos.
Wenn es schnell gehen muss, kann es ordentlich heiß werden. Das gilt auch beim Laden von Elektroautos. Derzeit schaffen Schnellladestationen etwa 30 Minuten als Maximum, doch in Zukunft sollen zehn bis 15 Minuten reichen, um die Batterie vollzukriegen. Wenn in so kurzer Zeit viel elektrische Energie fließt und gespeichert wird, entsteht Abwärme. Da Batterien sensibel auf zu hohe und zu niedrige Temperaturen reagieren, birgt Überhitzung während des schnellen Ladens die Gefahr, dass der Akku an Leistung und Kapazität verliert und es zu verfrühten Alterungserscheinungen kommt.
Ein Team am Austrian Institute of Technology (AIT) will genau diese Belastungen für E-Autos vermeiden und Temperaturspitzen verhindern. Tilman Barz von der Abteilung Sustainable Thermal Energy Systems leitet das Projekt „Whole Battery“, das von der Forschungsförderungsgesellschaft FFG finanziert wird: „Wir entwickeln ein neuartiges Verbundmaterial, das direkt an den Batteriezellen überschüssige Wärme aufnimmt.“ Dieses Material soll zusätzlich zum aktiven Kühlsystem, das mit Ventilatoren, Kühlflüssigkeiten und Wärmetauschern arbeitet, als passiver Temperaturspeicher in die Batterie integriert werden: Die kleinen Formen nehmen hohe Mengen an Abwärme auf, damit die Batteriezellen nicht überhitzen.
Wird flüssig wie ein Eiswürfel
Das Ziel ist, dass während der Viertelstunde, die das E-Auto an der Schnellladestation hängt, das neue Material thermische Energie aufnimmt und zeitverzögert, etwa während einer Autobahnfahrt, die Hitze langsam wieder an die Umgebung abgibt. „Das soll aber auch bei intensivem Fahren im Stadtbetrieb funktionieren“, sagt Barz.
Der ausgeklügelte Wärmespeicher funktioniert wie ein Schwamm, der Hitze aufsaugen kann: Der formgebende Anteil des Verbundstoffs ist Grafit, das aufgebläht ist und viele kleine Hohlräume hat. Diese Löcher sind gefüllt mit einem Phasenwechselmaterial, das zwischen 35 und 40 Grad vom festen in den flüssigen Zustand übergeht.
„Man kann sich das vorstellen wie beim Eiswürfel“, sagt Barz. Den gibt man im festen Zustand in ein Wasserglas, woraufhin der Eiswürfel die Wärme aus dem Wasser aufnimmt und das Wasser kühler wird, während der Eiswürfel schmilzt – also in den flüssigen Zustand übergeht. „Der Eiswürfel ändert bei null Grad seinen Zustand, unser Material aber im Temperaturfenster von 35 bis 40 Grad.“ Der Grafit ist ein optimaler Wärmeleiter, der die Hitze aus der Batterie schnell in die Hohlräume zu dem Phasenwechselmaterial leitet, das bei Hitze flüssig ist und später auskühlt und fest wird.
„Verbrennungsmotoren erreichen freilich viel höhere Temperaturen, doch hier gibt es ein hohes Temperaturgefälle zur Umgebungsluft. Daher kann Abwärme effizient direkt abgeführt werden“, sagt Barz. Aber Temperaturen um die 40 Grad, die einer Autobatterie schon schaden, kriegt man schwieriger los, da vor allem im Sommer die Außentemperatur oft gleich hoch ist. Deswegen ist der neuartige Verbundstoff mit dem Phasenwechsler wichtig, damit Elektroautos in der immer wärmer werdenden Zukunft ihre volle Leistung erbringen. „Wir forschen auch an extremen Einsatzbedingungen und haben mit AVL List, Schunk Carbon Technology GmbH und der Stohl Group auch Partner aus dem Rennsport bzw. Rallyebetrieb im Projekt dabei“, sagt Barz.
IN ZAHLEN
35–40 Grad Celsius ist der Temperaturbereich, in dem der Phasenwechsler im neuen Verbundmaterial seinen Aggregatzustand von fest zu flüssig ändert. Höhere Temperaturen schaden Autobatterien.
80–120 Grad sind typische Öltemperaturen in einem Verbrennungsmotor: Die Hitze wird aber an die Umgebung abgegeben.
("Die Presse", Print-Ausgabe, 14.03.2020)