04.06.2013

Technische Universität Berlin

Alkoholbrennstoffzellen und Magnesiumbatterien

Zwei neuartige chemische Energiespeichertechnologien für Elektrofahrzeuge stehen im Mittelpunkt der Forschungen am TU-Fachgebiet Technische Elektrochemie. Unter Leitung von Prof. Dr. Peter Strasser arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an Alkoholbrennstoffzellen, um die Reichweite der Batterien zu erweitern, und an der Magnesiumionen-Batterie. „Beide Speichertechnologien könnten den heute üblichen chemischen Speichertechnologien in wichtigen Punkten überlegen sein“, sagt Peter Strasser.

Zusammen mit Kollegen der TU München, der Tsinghua Universität in Peking und der Tongji Universität in Schanghai wollen sie neuartige Katalysatormaterialien entwickeln, die die Leistungsdichte der Alkoholbrennstoffzelle um ein Vielfaches erhöhen und damit die Größe des Alkoholtanks minimieren.

Wasserstoffgespeiste Brennstoffzellen werden bereits heute in Elektrofahrzeugen als Energiespeicher und -wandler eingesetzt. Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiesysteme, die chemisch gespeicherte Energie eines chemischen Brennstoffs, zum Beispiel Wasserstoff, direkt in elektrischen Strom umwandeln und mithilfe eines Elektromotors das Elektrofahrzeug antreiben. Die heute übliche Speicherung des sehr energiereichen Wasserstoffgases in Hochdrucktanks, die auch unter den Fahrersitzen angebracht sein können, sowie das Befüllen dieser Tanks erfordern sehr strenge Sicherheitsvorkehrungen und stoßen in der Öffentlichkeit oft noch auf Ablehnung.

Flüssiger Alkohol hingegen könnte wie Benzin gespeichert und getankt werden. In Verbindung mit einer Alkoholbrennstoffzelle kann aus einer wässrigen Alkoholmischung direkt Strom für das Fahrzeug gewonnen werden. Dies hat den großen Vorteil, dass der Alkohol direkt aus Bioverfahrensanlagen als wässrige Mischung verwendet werden kann und nicht unter großem Energie- und Kostenaufwand von Feuchtigkeitsspuren gereinigt werden muss, wie das gegenwärtig bei dem verwendeten Alkohol für E10 unerlässlich ist.

Da die nutzbare Leistungsdichte von Alkoholbrennstoffzellen noch deutlich unter der von Wasserstoffbrennstoffzellen liegt, werden diese Brennstoffzellen nicht für den Fahrzeugantrieb genutzt. Der Strom wird zum kontinuierlichen Wiederaufladen der leistungsstärkeren Lithiumionen-Antriebsbatterie zur Verfügung gestellt. Das verlängert je nach Größe des Alkoholtanks die Reichweite der Elektrofahrzeuge von etwa 50 Kilometer auf hunderte von Kilometern, ähnlich den heutigen Benzinfahrzeugen. Eine solche Alkoholbrennstoffzelle wird daher als „range extender“ (Reichweitenverlängerer) bezeichnet.

Bei dem zweiten Vorhaben soll das Element Lithium durch Magnesium in den Antriebssystemen der Elektrofahrzeuge ersetzt werden, weil Magnesium weniger entflammbar und explosiv ist. Anders als Lithiumionen-Batterien erhitzen sich Magnesium-basierte Batterien bei zu schneller Aufladung oder Überladung nicht so stark. „Hinzu kommt, dass das Magnesium über hundertmal größere Vorkommen in der Erdkruste aufweist als Lithium und es dadurch nicht zu zukünftigen geopolitischen Verknappungen oder Teuerungen kommen sollte“, sagt Peter Strasser. Eine große technische Herausforderung der Magnesiumbatterie ist das chemische Verhalten der zwischen den Batterieelektroden hin und her wandernden Magnesiumionen. Anders als für Lithiumionen ist die Wanderung der Magnesiumionen bei Auf- und Entladezyklen schlechter umkehrbar. Das begrenzt die Lebensdauer der Batterien. Die Forschungen konzentrieren sich daher auf die Entwicklung und das Verständnis neuer Elektrodenmaterialien, die Magnesiumionen besser und reproduzierbar aufnehmen und abgeben.

Die TU-Projekte sind Teil des „TU9 deutsch-chinesischen Forschungsnetzwerkes Elektromobilität“, in dem neun große deutsche technische Universitäten (TU9) und drei chinesische Eliteuniversitäten an den technischen und gesellschaftlichen Aspekten elektrisch angetriebener Fahrzeuge arbeiten. Gefördert wird es vom Bundesministerium für Bildung und Forschung. Die Forschungen am Fachgebiet von Peter Strasser werden mit mehr als einer Million Euro finanziert.

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