Der Nano-Stromspeicher-BRICK: die Batterie der Zukunft

Eine Entwicklung der CEP Corporation - Prototyp in Bearbeitung - copyright prachensky

Die direkte Stromspeicherung mit einer wirtschaftlichen Speicherdichte ist eines der derzeitigen Forschungsziele, um die umweltfreundlichen alternativen Energieerzeugung und die elektrische Mobilität zu einem Siegeszug zu verhelfen. Die derzeitigen, modernen Batterien haben derzeit eine 25 mal kleiner Energiedichte, als Diesel und Benzin. Mit ca. 50 Liter dieses Kraftstoffes kann man damit ca. 1000km weit fahren. Mit diesem Auto müssen ca. 1000kg Lithium-Ionen-Batterien mitschleppt werden. Bei den derzeitigen Schnelladestationen werden mindestens 6 Stunden benötigt. Die CO2 Bilanz für diese Energiegewinnung fällt schlecht aus. Die Lebensdauer dieser Batterien ist begrenzt ... damit wird derzeit das Elektroauto in Frage gestellt....

Mit der Entwicklung der Nano-Brick-Batterie werden die ca. 80-100fache Energiedichte gegenüber einer modernen Li-Ionen-Batterie erreicht ... das ist derzeit der Stand für die zukünftige Entwicklung und Voraussetzung für die weiteren Entwicklungen in der E-Mobilität.

Aus mehreren Vorschlägen wurde Name "Nano-Brick" fixiert. Angefangen hat es u.A. mit "Energy-Stone" (Energie-Stein)

Die technische Entwicklung in der Stromspeicherung:

Seit der Hochblüte der Ägypter und dem "altem Testament" wird die "Bundeslade" als geheimer Stromspeicher bis in die Neuzeit mitgetragen. Energie ist Zukunft...hat es damals schon die "freie" Energieform gegeben1?

Die "Bagdad Batterie" wurde 1936 bei Ausgrabungen aus der zeit 250- 225 v.Chr. gefunden. 14 cm Tongefäß mit einem eingelassenen Kupferzylinder weisen auf eine Batterie hin.

796 interpretiert der italienische Edelmann und Physiker Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Conte di Volta die Versuche von Galvani richtig und bastelt mit den Münzen verschiedener Länder die erste "Voltaische Säule"- Abwechselnd Kupfer, Messing, Silber, Zink oder Zinn, getrennt durch kleine Tücher, die mit verdünnter Kochsalzlösung oder Schwefelsäure benetzt werden – und fertig ist die erste Batterie der (westlichen) Weltgeschichte. Sie erbringt um 1800 immerhin 25 Volt – wie die Einheit in Erinnerung an ihren Erfinder weiterhin genannt wird.

Noch immer sind Bleiakkumulatoren die verbreitetste Methode, elektrische Energie zu speichern – insbesondere bei den rund 800 Million an Kraftfahrzeugen überall auf dem Planeten (Stand 2005). Im täglichen Gebrauch sind diese Batterien in vielen Geräten vorhanden und wohl auch kaum mehr wegzudenken, obwohl ihre Energiedichte nur 35 Wh/kg beträgt. Noch 1975 erhält die Varta Batterie AG auf der 5. Internationalen Bleikonferenz in Paris den ersten Preis für einen anhand von fünf spezifischen Details neuentwickelten Bleiakkumulator für Elektrostraßenfahrzeuge: angegossene Polbrücken, geblasenen dünnwandige Zellengefäße, absolute Dichtigkeit der Zellen, flexible Polverbinder und die Optimierung aller Einzelbauteile. Die Entsorgung ist nicht gelöst!

Ein Lithium-Polymer-Akku (auch Li-Poly oder Li-Po) ist ein wiederaufladbarer Energiespeicher (Akkumulator) und eine Weiterentwicklung des Lithium-Ionen-Akkus.
Wie beim Lithium-Ionen-Akku besteht die Kathode (negative Elektrode) aus Graphit, die Anode aus Lithium-Metalloxid. Jedoch enthalten Lithium-Polymer-Akkus keinen flüssigen Elektrolyten, sondern einen auf Polymerbasis, der als feste bis geleartige Folie vorliegt. Die Komponenten des Akkus– Stromzuführung, negative Elektrode, Elektrolyt, positive Elektrode– lassen sich preiswert als Schichtfolien mit einer Dicke von weniger als 100 Mikrometer herstellen. Die Bauform der Lithium-Polymer-Akkus unterliegt praktisch keinen Beschränkungen
Vorteile:

• Hohe Energiedichte- Potential für noch höhere Kapazitäten ist vorhanden
• Benötigt keine längere Formatierung, wenn neu. Eine einzige normale Ladung genügt.
• Verhältnismäßig kleine Selbstentladung - die Selbstentladung ist weniger als die Hälfte jener auf Nickel basierenden Batterien.
• Keine Wartung- da kein Memoryeffekt besteht, wird keine regelmäßige Entladung benötigt.
• Immer noch zu schwer und zu teuer -es wird für 100 km werden 25 Kilowattstunden benötigt-ein Akku, der 250 kg wiegt....

• Benötigt eine eingebaute Schutzschaltung, um Spannung und Strom innerhalb den Sicherheitslimiten zu halten.
• Ist der Alterung unterworfen, auch wenn sie nicht gebraucht wird- lagern der Batterie in einem kühlen Raum bei einer 40%-Ladung reduziert den Alterungseffekt.
• Entladestrom ist moderat- nicht verwendbar für starke Belastung
• Einschränkung bei Transporten- verschiffen von größeren Mengen können zu Kontrollen führen. Diese Einschränkungen beziehen sich nicht auf persönlich mitgeführte Batterien.
• Aufwendig in der Herstellung- ca. 40% höhere Herstellungskosten als bei Nickel-Kadmium.
• Nicht total ausgereift- Metalle und Chemien ändern sich kontinuierlich.
• Die umweltfreundliche Entsorgung ist nicht gelöst!

Die Supercaps- Kondensator-Technik mit noch größerer Leistung. Wiederaufladbare Batterien auf Lithium-Basis stellen derzeit die höchste Leistung für Ihr Apple Notebook oder Ihren i-Pod oder Ihr i-Phone bereit. Diese Standardtechnologie für Batterien kommt auch in vielen anderen Geräten zum Einsatz. Die Batterien von Apple verfügen über die gleichen Leistungsmerkmale wie die auf Lithium basierende Technologie, die auch in anderen Geräten zu finden ist. Wie andere wiederaufladbare Batterien müssen auch die Batterien von Apple gelegentlich ersetzt werden. Die umweltfreundliche Entsorgung ist nicht gelöst!

Eine Weiterentwicklung ist die Lithium-Luftbatterie. Damit wird der benötigten Sauerstoff aus der Atmosphäre geholt und spart sich damit Gewicht. Energiedichten von einer Kilowattstunde /kg scheinen den Forschern möglich. Bei gleichem Batteriegewicht von 250 kg ließe sich die Reichweite auf 1000 km steigern. Immer noch zu schwer, um das E-Auto zu einem Durchbruch zu verhelfen.
BASF und TU Karlruhe arbeiten nach wie vor an der Lithium-Ionen Technik- die Entwicklung ist begrenzt....

Das Redox-Flow-Batteriesystem besteht aus flüssigen Elektrolyten gelösten salzen. Der Elektrolyt wird in Tanks gelagert und bei Bedarf zugeführt. Der Wirkungsgrad von 80- 85% für Vanadium konnte demonstriert werden. Unter Berücksichtigung für die Pumpen und die sonstige Elektronik kann man von Systemwirkungsgraden oberhalb von 75% ausgehen. Damit liegt der Wirkungsgrad erheblich über dem von Wasserstoffspeichersystemen. Eine Selbstentladung tritt nicht auf. Jedoch ist dieses Konzept viel zu schwer und zu sperrig.

Die Wasserstoffzelle bzw. die Brennstoffzelle Technik: In der Regel wird eine wässrige Kaliumhydroxid-Lösung als Elektrolyt verwendet, früher beispielsweise Hydrazin. Da die Lösungen alkalisch sind, hat die Zelle danach ihren Namen erhalten. Als Brenngas dient Wasserstoff an der Anode, der durch Oxidation mit reinem Sauerstoff an der Kathode umgesetzt wird. An der Anode entsteht dabei als Reaktionsprodukt Wasser, das ständig abgeführt werden muss. Dieser Zellentyp wird bei 60– 120 °C betrieben.

Die der Kathode zugeführte Luft muss CO2-frei sein, da dieses sonst mit der Lauge zu einem Karbonat reagiert. Dieses ist dann ein Feststoff (weißer Niederschlag, nicht mehr gelöst), welcher die porösen Elektroden verstopft und zu einem Leistungsabfall der Zelle führt. Im Vergleich zur PEMFC hat die AFC eine geringere Leistungsdichte bei jedoch leicht besserem Wirkungsgrad aufgrund einer höheren Zellenspannung. Sie erreicht jedoch zur Zeit nicht die hohen Stromdichten wie die PEMFC. Der Elektrolyt dient gleichzeitig zur Temperaturregelung des Stacks, womit kein weiterer Kühlkreislauf notwendig ist.

Mercedes-Benz arbeitet mit seiner B-Classe Brennstoffzelle daran. 2012 sollen diese am Markt erhältlich sein- die Reichweite beträgt ca.500-800 km. Das Problem ist der fehlende Ausbau der aufwendigen Wasserstofftankstellen in Europa. Prof. Jürgen Hubbert wird wohl dieses Modell im neuem Mercedes Museum in Stuttgart verstauben lassen.

Diese Brennstoffzellenösung ist zu teuer und wird sich kaum durchsetzen!

Am Institut für Nanotechnologie des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) wurde nun ein gänzlich neuer Ansatz für die Batteriearchitektur und die verwendeten Materialien entwickelt. Um einen wirklichen Sprung in der Leistungsfähigkeit zu erreichen, müssten daher ganz neue Wege, sowohl bei der Entwicklung der Materialien als auch bei der Batteriearchitektur, beschritten werden. setzt KIT auf völlig neue Eisen-Kohlenstoff-Materialien, mit deren Hilfe sich deutlich mehr Energie auf kleinem Raum speichern lässt. Das Problem: Die bisher beschriebenen Materialien sind nicht zyklenstabil und die Speicherkapazität sinkt schnell ab, wenn die Batterie mehrmals be- und entladen wird. Am Institut für Nanotechnologie des KIT wurde nun ein neuer Ansatz für eine Synthese von Eisen-Kohlenstoff-Speichermaterialien entwickelt. Bei dem zum Patent eingereichten Verfahren werden unterschiedliche Ausgangsmaterialien mit einem Lithiumsalz vermischt und dann gemeinsam erwärmt. Dabei bildet sich eine komplett neue Nanostruktur aus, die zusätzlich von Kohlenstoffdrähten, die ebenfalls entstehen, durchzogen ist. Dadurch entstehen nanoskalige Speichereinheiten und Leiterbahnen quasi in einem Schritt "Dies ist weltweit das erste Beispiel für ein stabiles Konversionsmaterial, mit dessen Hilfe sich deutlich mehr Elektronen und Lithium auf kleinem Raum "packen" lassen als bei herkömmlichen Verfahren", "Die Herstellung ist einfach und kostengünstig und die hohe Kapazität der Eisen-Kohlenstoffelektrode bleibt sehr lange erhalten. Gelingt es, das Potenzial dieses neuen Materials voll auszuschöpfen, können die Speicherdichte von Lithium-Ionen-Batterien um den Faktor Fünf verbessern"

Immer noch viel zu wenig um das E-Auto Serienreif zu machen - es muss das 80-100fache der Lion-erreicht werden. mp.

Eine Weiterentwicklung ist die Fluorid-Ionen Technik. Jedoch ist die generell die Ionen Technik an ihre Grenzen gestoßen. Die Leistungen gehen maximal auf 5.000 Wh/l - Benzin liegt immer noch bei 9.000Wh/l - immer noch viel zu wenig um das E-Auto wirtschaftlich auf den Markt zu bringen.

Grundsätzliches zur Nano-Technologie der CEP Coporation:
Diese beschäftigt sich mit Struktur- und Oberflächenveränderungen von Metallen, Glas, Keramik, Kunststoffen mittels Kohlenstoff-Nano-Technik. Diese Fullerene werden mit Spezialöfen kratzfest eingeschmolzen und nicht eingetaucht bzw. aufgesprayt wie bei Textilien, Kosmetika, Lebensmittel, Medikamente etc.
Die von der CEP-Corperation hergestellten Materalien werden durch nochmaliges einschmelzen entsorgt. Daher erübrigt sich hier die Diskussion von gesundheitsgefährdenden Produkten.

Der Nano-Brick-Stromspeicher besteht aus einem Elektrolyt-Kompositmaterial aus mehreren Stoffen (Polymisationsprozess), ist supraleitend und benötigt keinen dazwischenliegenden Membranfilter. Dadurch ist eine schnellere dynamische Be-und Entladezeiten gegeben.

Durch die Oberflächenerweiterung mit Hilfe der Nanotechnik der einzelnen Anoden- und Kathodenschichten lassen sich diese enormen Speicherdichten 10`9 erreichen. (Vereinfacht ausgedrückt, lassen sich mehrere Fußballfelder auf die Größe der eingelegten Folienfilter aufbauen- die Nanustruktur ist nur Beispielhaft dargestellt- die spezielle Lösung ist die Stärke des Forschungslabors der CEP Corporation)
Die Nano-Brick-Hochleistungsbatterien sind erstmals umweltfreundliche entsorgbar einschmelzen- keine Säuren, keine Gase, keine hohen Temperaturen, keine Brand- und Explosionsgefahr. Die Bricks sind erstmals dynamisch Be- und Entladbar. Die Nano-Brick sind damit "Crashsicher"

Gewisse Kennzahlen: Derzeitige Akkus dem Nano-Brick gegenüber gestellt.

Der Norm-Brick hat eine Größe von 25 x 25 x 50 cm und ist für die Wohn- und Arbeitsstätten bzw als Autobatterie gedacht. Mit diesem Modul kann 2500 km mit einer Ladezeit von 45 Minuten gefahren werden (es wird bereits an noch kürzeren Ladezeiten seitens des Labors gearbeitet) ..... Die Nano-Bricks können in jeder Größe entwickelt bzw. eingebaut werden.
Eine Weiterentwicklung ist der Einbau in Sandwichplatten (2-4cm), in die Außenwände der Karosserien im Boden, in den Seitenwänden oder im Dachbereich. Die eher klobigen Brick-Module gibt es dann nicht mehr- diese können für die bessere Nutzung des Innenraumes herangezogen werden. (PKW, LKW, BUS, ICE etc)

Eine Weiterentwicklung ist die Nano-Brik-Sandwichbauweise. Diese läßt sich, wie am Fließband, industriell herstellen. Diese flachen Sandwich-Platten können wesentlich platzsparender in die Autos integriert werden. Als tragende Boden-, Wand-, Tür- und Dachscheibe etc. Die Weiterentwicklung sind dann die Micro-Nano-Bricks, (Mi-Na-Bri) die in der Elekronik dann angewendet werden (Raumfahrt, Computer, Roboter, Laptops, Handys etc) mp

• 1- Außenhaut-Carbon- Annode
• 2- Elektrolyt-Polymere-Komposit
• 3- Innenhaut - Carbon -Kathode

Für Großkraftwerke kommen die ISO- 40 Fußcontainer zur Anwendung - der Inhalt beträgt 67 m3- das ergibt die Stromdichte für 2144 City-PKW. Die E-LKW, E-Busse fahre mit 4 Norm-Bricks, die auf Stromtankstellen aufgeladen bzw. die leichten Bricks getauscht werden.

Die Entwicklung von Mega-Stromtankstellen ist eine weitere Entwicklung, um die langen GRID-Leitungen nicht zu benötigen, die mit relativ großen Stromverlusten verbunden sind. Es haben auf einem Containerschiff ca. 18 000 Container Platz- die weltweit verschifft werden können.
Solarthermie, Geothermie, Fotovoltaik, Windkraft, Wasserkraft sind die hauptsächlichen Stromerzeugungen im Bereich des Roten Meeres, des Mittelmeeres und der Alpen für alternativen, erneuerbaren Energien.

Die Mega-Stromspeicher-Brick- Techik *
Die Micro-Stromspeicher-Brick Technik *

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