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Ultrakondensatoren zur Steigerung der Reichweite von Elektroautos
Ein Startup namens Nanotune sagt, dass seine Ultrakondensator-Technologie Elektroautos billiger machen und ihre Reichweite erhöhen könnte. Das im kalifornischen Mountain View ansässige Unternehmen hat einen Weg entwickelt, Elektroden herzustellen, die zu Ultrakondensatoren mit fünf- bis siebenmal so viel Speicherkapazität als herkömmliche führen.
Energieschwamm: Eine mikroskopische Aufnahme zeigt die poröse Struktur eines neuen Elektrodenmaterials, das hilft, die Speicherkapazität von Ultrakondensatoren zu erhöhen.
Herkömmliche Ultrakondensatoren, die den Vorteil haben, dass sie schnelle Stromstöße liefern und sich ohne großen Kapazitätsverlust hunderttausende Male aufladen lassen, sind zu teuer und speichern zu wenig Energie, um Batterien zu ersetzen.
Nanotune jedoch, das 3 Millionen US-Dollar von der Risikokapitalgesellschaft Draper Fisher Jurvetson aufgebracht hat, sagt, dass seine Ultrakondensatoren in Bezug auf die Energiespeicherung kurz vor dem Wettbewerb mit Batterien stehen und diese bald übertreffen könnten. Mit einem herkömmlichen Elektrolyten hat das Unternehmen eine Energiespeicherung von 20 Wattstunden pro Kilogramm demonstriert, gegenüber etwa fünf Wattstunden bei einem herkömmlichen Ultrakondensator. Unter Verwendung eines teureren ionisch-flüssigen Elektrolyten wurden Ultrakondensatoren hergestellt, die 35 Wattstunden pro Kilogramm speichern. Bis Ende des Jahres hofft das Unternehmen, diese Speicherkapazität ungefähr zu verdoppeln, sagt Nanotune-CEO Kuan-Tsae Huang. Mit 40 Wattstunden pro Kilogramm wären die Ultrakondensatoren eine Verbesserung gegenüber den Batterien, die in einigen Hybridfahrzeugen verwendet werden.
In den letzten Monaten haben mehrere Startups angekündigt, dass sie Nanotechnologie einsetzen, um bessere Ultrakondensatoren herzustellen. Jeder hofft, dazu beitragen zu können, eines der größten Probleme von Elektroautos heute zu lösen: die hohen Kosten ihrer Batterien und die begrenzte Speicherkapazität. Nissan zum Beispiel musste, um seinen elektrischen Leaf erschwinglich zu machen, die Größe des Batteriepakets begrenzen, was zu einer Reichweite von nur 73 Meilen führte.
Einer der Gründe, warum Batteriesysteme so teuer und sperrig sind, liegt darin, dass die Batterien im Laufe des Gebrauchs abgebaut werden, insbesondere wenn sie extremen Temperaturen ausgesetzt sind. Daher ergänzen Autohersteller sie oft mit Kühl- und Heizsystemen und fügen zusätzliche Batteriezellen hinzu, um Leistungsverluste auszugleichen im Laufe der Zeit. Ultrakondensatoren könnten dieses Problem umgehen, da sie ohne Verschlechterung aufgeladen werden können und in einem weiten Temperaturbereich gut funktionieren.
Schließlich, so Huang, könnten Ultrakondensatoren hergestellt werden, die 500 Wattstunden pro Kilogramm speichern – etwa drei- bis viermal mehr als die Lithium-Ionen-Batterien, die heute in Autos verwendet werden. Der praktische Nutzen könnte noch größer sein. Autos sind oft so konstruiert, dass sie nur die Hälfte der Speicherkapazität ihrer Batterien verbrauchen, damit sie nicht abgebaut werden. Aber fast die gesamte Speicherkapazität eines Ultrakondensators kann genutzt werden.
Die Technologie von Nanotune ist jetzt sehr teuer – zwischen 2.400 und 6.000 US-Dollar pro Kilowattstunde. (Das Energieministerium hat ein Ziel von 250 US-Dollar pro Kilowattstunde vorgeschlagen, um Elektrofahrzeuge gegenüber herkömmlichen wettbewerbsfähig zu machen.) Nanotune sagt jedoch, dass seine Kosten auf weniger als 150 US-Dollar pro Kilowattstunde sinken könnten, wenn die Preise einiger wichtiger Materialien, wie Elektrolyte, sinken weiter, und die Produktion wird skaliert.
Die Energiespeicherprognosen des Unternehmens basieren auf mehreren Fortschritten, an denen es arbeitet. Nanotune stellt derzeit Elektroden mit Poren mit einem Durchmesser von etwa 4 bis 5 Nanometern her, kann sie jedoch verkleinern (hohe Porosität führt zu einer großen Oberfläche, die es ermöglicht, eine große Menge an Ladung zu speichern) und sie entsprechend abzustimmen den Bedarf an unterschiedlichen Elektrolyten – den ionenleitenden Materialien, in die die Elektroden eingetaucht sind.
Das Unternehmen prüft auch den Einsatz von ionischen Flüssigkeiten anstelle konventioneller organischer Elektrolyte. Diese erhöhen die Spannung des Systems, was die Energiespeicherung stark erhöht, aber normalerweise sind sie nicht mit herkömmlichen Ultrakondensatorelektroden kompatibel. Schließlich hofft das Unternehmen, neue wissenschaftliche Erkenntnisse nutzen zu können, die darauf hindeuten, dass die Zugabe kleiner Mengen Ruthenium zu den Ultrakondensatoren die Energiespeicherung erhöhen kann.
Nanotune ist nicht das erste Unternehmen, das behauptet, Ultrakondensatoren mit sehr hoher Energiespeicherung herstellen zu können. Andere fanden dieses Versprechen schwer einzuhalten . Eine Vergrößerung der Oberfläche kann die Speicherkapazität nur begrenzt verbessern, da die Speicherung irgendwann durch die Ionen im Elektrolyten begrenzt wird. Ionische Flüssigkeiten helfen dabei, haben aber erhebliche Mängel, sagt Joel Schindall , Professor für Elektrotechnik und Informatik am MIT. (Eine Firma namens FastCap-Systeme , das Ultrakondensatoren mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen entwickelt, stammt aus seinem Labor.) Sie sind zum einen sehr teuer und einige funktionieren nur in einem begrenzten Temperaturbereich gut, was sie für Autos unpraktisch macht.
Schindall sagt jedoch, dass Nanotune seine sehr hohen Energieziele verfehlen und dennoch die Wettbewerbsfähigkeit von Elektrofahrzeugen und Hybriden verbessern kann. Angesichts der Langlebigkeit von Ultrakondensatoren wäre sogar eine Energiespeicherung von 100 Wattstunden pro Kilogramm – nahe der von Lithium-Ionen-Batterien – fantastisch.