Energiepakete aus Nanokrümeln
Hybridautos sind in Mode. Toyota feierte 2007 das zehnjährige Jubiläum der Einführung des Prius – des ersten Fahrzeugs, unter dessen Haube ein Verbrennungs- und ein Elektromotor stecken. Viele andere Hersteller haben angekündigt, ebenfalls Modelle mit Hybridantrieb auf den Markt zu bringen. Doch die Wagen mit den zwei Herzen haben einen Schwachpunkt: die Batterien, die Energie für den Elektromotor speichern. Sie basieren bisher auf der Nickel-Metallhydrid-Technologie. Doch die bietet nur eine recht geringe Kapazität und macht die Batterien schwer. Besser wären Lithium-Ionen-Speicher. „Diese Batterietechnologie bietet chemisch die höchste Leistungsfähigkeit”, sagt Andreas Gutsch, Leiter Creavis Technologies and Innovation bei der Essener Evonik Industries AG.
Aufladbare Lithium-Ionen-Batterien stecken in Mobiltelefonen, Laptops und Digitalkameras. Doch wo viel Energie benötigt wird – etwa in Hybridautos – ließen sie sich bisher nicht nutzen. Der Grund: „Die Energiedichte in den großen Zellen ist so gewaltig, dass die Batterie explodieren kann, zum Beispiel wenn sie beschädigt wird”, erklärt Gutsch. Gemeinsam mit seinem Marketing-Kollegen Gerhard Hörpel von Evonik und Paul Roth, emeritierter Professor am Lehrstuhl für Verbrennung und Gasdynamik der Universität Duisburg-Essen, fand Gutsch einen Weg, das Sicherheitsproblem zu lösen. „Das zentrale Element unserer Technologie ist der Separator”, sagt Hörpel. Er trennt Plus- und Minuspol in der Batterie und verhindert so einen Kurzschluss. Gleichzeitig muss der Separator die Lithium-Ionen beim Laden und Entladen der Batterie passieren lassen.
Die Herausforderung war es, ein Separatormaterial zu finden, das auch bei hoher Temperatur stabil ist. Die Lösung: eine Trennschicht aus einer sehr temperaturbeständigen Keramik. Allerdings: „Der Werkstoff ist üblicherweise steif und zerbrechlich”, erklärt Hörpel. Damit sich die Keramikmembran zur Batterieherstellung nutzen lässt, musste sie so flexibel wie Folie werden. Das gelang mit keramischen Nanopartikeln – Körnchen von wenigen Millionstel Millimeter Durchmesser. Gutsch, Hörpel und Roth formten daraus eine rund 20 Mikrometer dünne Membran – ideal als Separator für leistungsfähige Lithium-Ionen-Batterien. Die lassen sich nicht nur in Hybridfahrzeugen nutzen, sondern auch zum Stabilisieren der Stromnetze: So kann man von Windrädern oder Solaranlagen im Überschuss erzeugte elektrische Energie künftig in Batterien zwischenspeichern und später wieder abrufen. Das sichert die Stromversorgung – auch wenn dazu wankelmütige Quellen wie Wind und Sonne angezapft werden.
