Lithiumionen-Akkus haben doch einen Memory-Effekt

    [h=1][/h] Lithiumionen-Akkus gelten gemeinhin als frei vom so genannten Memory-Effekt, nach dem sich unvollständige Lade- und Endladezyklen schnell auf die Leistung eines Stromspeichers auswirken. Allerdings zu Unrecht.

    Forschern vom Paul Scherrer Institut (PSI) und ihren Partnern vom Toyota-Forschungslabor in Japan ist es gelungen, bei einem weit verbreiteten Typ der Lithiumionen-Batterie doch einen Memory-Effekt nachzuweisen. Ihre konkreten Ergebnisse sind heute in der Fachzeitschrift 'Nature Materials' erschienen.

    Die Wissenschaftler haben den Akku dafür zu 50 Prozent der Speicherkapazität geladen und anschließend vollständig entleert. Im darauffolgenden Zyklus macht sich dann der Memory-Effekt durch eine Überspannung bemerkbar - und zwar genau an der Stelle, an der der partielle Ladezyklus abgebrochen wurde.

    Woher dieser Effekt kommt, lässt sich bei einer genaueren Betrachtung der beteiligten Teilchen sagen. Ihr chemisches Potenzial beim Laden steigt zunächst stetig, indem sie Lithiumionen abgeben. Haben sie einmal die Barriere des chemischen Potenzials erreicht, geben die Teilchen sehr rasch die verbleibenden Lithiumionen ab und sind dann komplett geladen.


    Die Teilchen überschreiten aber nicht alle gleichzeitig die Barriere, sondern eins nach dem anderen. Nach partieller Ladung bleiben also einige Teilchen vor der Barriere zurück. Diese Teilchen "rutschen dann den Hang herab", wie es die Wissenschaftler beschreiben, um das thermodynamische Gleichgewicht wiederherzustellen. Nun ist eine Aufspaltung der Teilchen in Lithium-reich und Lithium-arm etabliert.

    Diese Aufspaltung bleibt auch bestehen, nachdem die Batterie komplett entladen wird. Beim nächsten Ladezyklus wird erst die Gruppe der Lithium-ärmeren Teilchen über die Barriere gebracht. Um auch die zweite Gruppe der Lithium-reicheren Teilchen über die Barriere zu befördern, muss zusätzliche Arbeit geleistet werden. Dies drückt sich in einer Überspannung aus, die das Kennzeichen des Memory-Effektes bildet.

    Bei Lithiumionen-Akkus ist der Memory-Effekt im Vergleich zu anderen Speichersystemen allerdings deutlich schwächer ausgebildet und hat daher bei den meisten Geräten, die mit Akkus betrieben werden, nur marginale Auswirkungen. Allerdings kann er viel größere Folgen haben, wenn es um Elektromobilität geht.

    Insbesondere bei Hybridautos, bei deren normalem Betrieb sehr viele Zyklen partieller Ladungen und Entladungen stattfinden, würde der Effekt auftreten. In diesen Fahrzeugen wird die Batterie nämlich bei jedem Bremsvorgang durch den zum Generator verwandelten Motor aufgeladen. Entladen wird sie auch meist nur partiell, etwa um den Verbrennungsmotor in Beschleunigungsphasen zu unterstützen. Die vielen aufeinanderfolgenden Zyklen unvollständiger Ladung und Entladung können die Aufsummierung der einzelnen kleinen Memory-Effekte zu einem grossen Memory-Effekt zur Folge haben. Dies würde einen Fehler bei der Abschätzung des momentanen Ladezustandes der Batterie zur Folge haben, falls der Ladezustand von der entsprechenden Software anhand des aktuellen Wertes der Spannung berechnet wird.

    Quelle: winfuture.de

    Die TU Graz untersucht den Schwungradspeicher für elektrische und Hybridantriebe


    Der Schwungradspeicher als "kinetische Batterie"


    Hannover, 6. Juli 2012 – Volvo präsentierte eine ähnliche Idee im Frühjahr 2011: Ein Flywheel (oder Schwungradspeicher) wäre eine interessante Ergänzung für ein Hybridfahrzeug, weil es zwar nicht viel Energie aufnehmen, diese aber dafür sehr schnell speichern oder abgegeben kann. Diese Eigenschaften haben auch Ultrakondensatoren, doch im Detail gibt es Unterschiede, die möglicherweise für das Flywheel sprechen. Nun hat auch die TU Graz ein Forschungsprojekt aufgesetzt, in dem es diese Speichertechnik erforschen will.


    Kraft aus der Rotation
    Industriepartner in dem Projekt ist die Firma Rosseta, die unter anderem auf die Entwicklung von Schwungradspeichern spezialisiert ist. Sie soll bis etwa September 2012 ein Testfahrzeug auf Grundlage eines Škoda Roomster aufbauen. Projektleiter Gert Holler von der TU Graz will sich allerdings nicht nur auf ein bestimmtes Pkw-Konzept festlegen, sondern erhofft sich darüber hinausgehende Erkenntnisse. Denn obwohl die grundlegenden Eigenschaften des Schwungradspeichers bekannt sind, stellen sich die bei der Hybridisierung üblichen Fragen nach Skalierung, Kosten und sinnvollen Anwendungsszenarien.


    Der Schwungradspeicher beruht auf dem Prinzip, dass ein im Vakuum laufendes Schwungrad kinetische Energie aufnehmen und wieder abgeben kann – man könnte es als eine Art kinetische Batterie betrachten, mit hochdynamischen Eigenschaften freilich. Laut Gert Holler kann der Schwungradspeicher etwa 300 Wh rekuperieren und wieder abgeben, das entspreche etwa einem Bremsvorgang von 70 auf 0 km/h. 300 Wh sind nicht allzu viel, doch der Honda Jazz Hybrid hat beispielsweise auch nicht mehr als 600 Wh zu bieten. Erstaunlicherweise erfolgt die Selbstentladung des Schwungradspeichers recht langsam. Erst nach fünf bis sechs Stunden ist er "leer". Dass das Schwungrad nicht zum Sanktnimmerleinstag weiterrotiert, liegt zum Beispiel daran, dass ein Rest Reibung bleibt, weil trotz des angestrebten Vakuums eben doch ein Rest Atmosphäre im Gehäuse verbleibt und somit ein wenig Luftreibung.

    Ungleich gesellt sich gern
    Es geht aber gar nicht unbedingt um eine Konkurrenz der Energiespeicher, sondern um ihrer gegenseitige Ergänzung. Der Schwungradspeicher ist im Prinzip eine ideale Ergänzung für eine Batterie: Er reagiert so dynamisch, wie es die Rekuperation oder Leistungsabgabe eben vorgibt, er ist vollkommen unempfindlich gegen "Tiefentladung" und reagiert thermisch nicht auf Belastungen wie eine Batterie. Man könnte also schnelle Brems- und Beschleunigungsvorgänge mit dem Flywheel abwickeln und eine chemische Batterie im Gegenzug konsequent auf Energiedichte statt auf Leistung optimieren. Sie könnte dann zum Beispiel sehr schön auf langen Abfahrten geladen werden, während sich der Schwungradspeicher als Kurzzeitunterstützung bei dynamischen Fahrzuständen empfiehlt – nicht umsonst wird er auch im Motorsport eingesetzt.

    Der Schwungradspeicher als "kinetische Batterie" | heise Autos

    Schwungradspeicher finde ich sehr interessant!
    Ich denke da wird noch einiges passieren in Sachen Weiterentwicklung.

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