Durchbruch in der Batterieforschung dank Latentwärmespeicher „ss-PCMs“

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Erfolg von Forschern der Martin-Luther Universität Halle-Wittenberg

Der Arbeitskreis Hahn und Doktorand Felix Marske haben beim IQ Innovationspreis Mitteldeutschland 2020 mit dem Projekt der Form-stabilisierten Latentwärmespeichermaterialien (ss-PCMs) den ersten Platz im Cluster „Automobilität“ gewonnen. Da beim schnellen Aufladen von Akkumulatoren auf Lithiumionenbasis in Autos Hitze entsteht, muss die überschüssige Wärme schnell abtransportiert werden. Aktive Kühlsysteme aus Ventilatoren und Kühlflüssigkeiten über Pumpsystemen benötigen jedoch viel Strom und Platz im Akkumulator-System des Autos. Aus diesem Grund hat der AK Hahn Einsteckmodule aus einem neuartigen Material, sogenannten Form-stabilisierten Latentwärmespeichern, entwickelt.

Latentwärmespeicher speichern Wärme, indem sie ihren Aggregatzustand ändern. Flüssiges Latentwärmespeichermaterial wird in einem nanoskopischen Molekülgitter durch sehr hohe Kapillarkräfte am Austritt gehindert  und kann nach außen quasi als Festkörper mit hoher mechanischer Stabilität betrachtet werden. Das flüssige Latentwärmespeichermaterial kann über den Wechsel des Aggregatzustands von flüssig zu fest im Molekülgitter sehr viel Wärme speichern. Neben der Anwendung in der Mobilität kann das Material als passives Kühl- und Heizelement in Gebäuden genutzt werden. Für diese Anwendung wurde der Arbeitskreis Hahn bereits 2019 mit dem 2. Platz beim Landespreis Hugo Junkers für außergewöhnliche Grundlagenforschung 2019 ausgezeichnet.

Die innovativen Latentwärmespeicher von Felix Marske  könnten sowohl die Elektromobilität als auch die Wärmeversorgung von Gebäuden revolutionieren. Lithiumionen-Batterien müssen möglichst leistungsstark sein, um große Reichweiten zu ermöglichen. Die bei der Ladung und dem Betrieb entstehende Wärme beeinträchtigt nicht nur die Leistung, sondern auch die Langlebigkeit der Batterien. Dafür hat das Team um Thomas Hahn eine effiziente Kühlung entwickelt.

„Ein alltagsnahes Anwendungsbeispiel solcher Wärmespeicher sind Handwärmekissen, die bei kalten Temperaturen für angenehm warme Hände in unseren Jackentaschen sorgen. Durch einen Wechsel vom festen in einen flüssigen Aggregatzustand können sie enorm viel Wärme aufnehmen und speichern. Beim Erstarren geben sie diese dann wieder an ihre Umwelt respektive unsere Hände ab“, veranschaulicht Felix Marske das Wirkungsprinzip.  Grundlage dafür sind sogenannte Phasenwechselmaterialien (engl. phase change material – kurz: PCM).

Fettsäureestermoleküle werden durch nanoskopisch kleines Silikatgerüst eingekapselt

Ein Problem lag aber bisher genau in dem Übergang von einem Feststoff zu einer Flüssigkeit: Herkömmliches PCM verlor durch das Schmelzen die Form, drohte auszulaufen und erschwerte einen praktischen Einsatz daher enorm. Der vom Forscherteam um Marske entwickelte Form-stabilisierte Latentwärmespeicher besteht aus ungefährlichen Fettsäureestermolekülen, die durch ein nanoskopisch kleines Silikatgerüst eingekapselt werden, wodurch die geringe Wärmeleitfähigkeit erhöht wird und so ein gleichmäßiges Schmelzen des Wärmespeichermaterials ermöglicht wird. Extrem starke Kapillarkräfte hindern letzten Endes das PCM am Austreten. Nach 50 Jahren Forschung an diesen Kühlmitteln gelang den Wissenschaftlern nun der Durchbruch. Damit wird die Handhabung von Latentwärmespeichern enorm erleichtert, was komplett neue Nutzungsmöglichkeiten für die Industrie ermöglicht.

„Wir müssen jetzt vor allem noch ingenieurstechnische Aspekte klären. Deshalb ist es wichtig, mit der Automobilindustrie ins Gespräch zu kommen, die uns sagt, wie viel Wärme abgepuffert werden soll und wir dann gemeinsam überlegen können wie und wo die Form-stabilisierten Latentwärmespeicher verbaut werden können“, erklärt Marske. Denkbar wäre es aus Sicht der Hallenser künftig den kompletten Batterieblock von Elektroautos mit dem Material zu ummanteln oder die einzelnen Akkuzellen, aus denen eine Batterie besteht, zu verkleiden. „Der IQ-Preis stellt für uns eine unglaublich starke Motivation dar. Allein durch die Teilnahme gelangt man zu ungeahnter Aufmerksamkeit für sein Projekt und findet durch die neu geknüpften Kontakte zu Realisierungsmöglichkeiten und Lösungswegen, die einem so vorher nicht zugänglich waren“, so Marske.

Lithium-Ionen-Batterie – Foto © Gerhard Hofmann für Solarify

Einsatzvarianten – Vier verschiedene Varianten des Einsatzes in der Automobilindustrie seien denkbar, eine davon ist laut die Umhüllung des kompletten Batterieblocks von E-Fahrzeugen mit „ss-PCM“. Unternehmen  der Autoindustrie hätten bereits mit der Planung einer Weiterentwicklung begonnen, sagt Marske, darüber hinaus gebe es so viele Anfragen aus der Industrie, dass man sie derzeit gar nicht alle bewältigen könne. Dabei ist „ss-PCM“ bei weitem nicht nur für die Automobilindustrie interessant. Sein Einsatz wäre auch denkbar bei Telefon-Akkus, in Nachtspeicheröfen, bei der Solarthermie und im Wohnungsbau. Dachschindeln könnten mit dem Material gefüllt werden, Betonwände ebenso. Immerhin kann „ss-PCM“ 14mal mehr Wärme speichern als herkömmliche Baustoffe, der weltweite Energieverbrauch für das Heizen von Innenräumen könnte enorm sinken. So würde bei einem Strompreis von etwa 28 ct/kWh pro Jahr bei Einsatz einer ss-PCM Wand a 3,6m² mit einer Dicke von 2 Zentimetern etwa 154 Euro gespart werden. Bei einem Preis dieser Wand von 170 Euro läge die Amortisation dann bei 13 Monaten. Umgekehrt würde das Material auch dazu beitragen, dass sich Räume im Sommer nicht stark erhitzen. Zwar werden auch heute schon Latentwärmespeicher in Form von mikroskopisch kleinen Kapseln in Gips- oder Betonwänden verbaut (s.u.). Um die Stabilität des Baustoffes zu gewährleisten, können aber lediglich 15 Prozent des PCM darin eingearbeitet werden. „Mit unserem Material können bis zu 90 Prozent befüllt werden“( Marske), was die Energieeffizienz deutlich steigern würde.

2015 – „PCM: Wenig bekanntes Speichermaterial“

Solarify berichtete schon am 31.05.2015 über „Latentwärmespeicher (Phase Change Materials) für Temperaturmanagement“:Sie können Wärme aufnehmen, speichern und später wieder abgeben. Baustoffe wie Wandputze oder Bauplatten, die mit ihnen modifiziert wurden, sorgen bereits in vielen Gebäuden seit mehreren Jahren durch aktiven Temperaturausgleich energie-effizient für gutes Raumklima. Einer dieser Baustoffe ist das so genannte Micronal  der BASF. Das Phase-Change-Material (PCM) hat längst den Praxistest im Rahmen verschiedener Projekte erfolgreich bestanden. Ein Dauertest mit täglich 24 wechselnden Temperaturzyklen bescheinigte dem Material schon früh eine Lebenserwartung von mindestens 30 Jahren: Dichtigkeit und Wärmespeicherkapazität blieben über den gesamten Testzeitraum auf unverändertem Niveau. Mikroskopisch kleine Kunststoffkügelchen enthalten in ihrem Kern ein Speichermedium aus Wachsen. Steigt die Temperatur, schmilzt das Wachs, und die Latentwärmespeicher nehmen Wärme auf. Fällt die Temperatur, erstarrt das Wachs und Wärme wird freigesetzt. Während der Phasenumwandlung bleibt die Temperatur konstant. Aus diesem Vorgang ergibt sich die englische Bezeichnung Phase Change Material.

100 Prozent Öko

Das Interesse an „ss-PCM“ aus der Industrie ist momentan so riesig, dass Felix Marske kaum nachkommt. Das Material ist zum Patent angemeldet. Um mehr Gelder und humane Ressourcen zu gewinnen, sagt der Chemiker, würden sie sich derzeit um Aufnahme in das EIXIST-Forschungstransfer-Programm bemühen, um eine Ausgliederung realisieren zu können. „Derzeit bauen wir eine Lieferkette auf“, sagt er, „und führen Gespräche mit einem Unternehmen, das das Material produziert. Für einen geringen Aufpreis sind wir in der Lage, das Produkt zu 100% ökologisch herzustellen und unsere Produktpalette an verschiedenen ss-PCMs zu erweitern “

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