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News | 7.7.2016
Akkumulatoren

Schallwellen verkürzen die Ladezeit

Die Mitarbeiterinnen Sandra Ebert und Sabrina Tietze am Prüfstand im Labor des Instituts für Sensor- und Aktortechnik
© ISAT
Rechts, Subtraktion der beiden Ladekurven (links) mit und ohne Schalleinstrahlung im 3-Elektroden-System. Oben zu sehen die Ladekurven mit (rot) und ohne Schalleintrag (blau).
© ISAT
Prüfstand der Firma Seuffer
© Seuffer GmbH

Insbesondere bei Elektrofahrzeugen spielt die Ladezeit der Akkumulatoren eine entscheidende Rolle. Transportvorgänge in der Grenzschicht zwischen Elektrode und Elektrolyt zählen zu den begrenzenden Faktoren für die Ladegeschwindigkeit. In dem vierjährigen Forschungsprojekt BELAKUSTIK untersuchten Wissenschaftler, inwieweit sich der Ladungstransport durch hochfrequente Schallwellen beschleunigen lässt. Bei Versuchen an Bleibatterien konnten sie die Ladezeit um bis zu 10 Prozent reduzieren. Bis zum praktischen Einsatz in Batteriesystemen ist aber noch weitere Forschung nötig.

Akustische Wellen beeinflussen die Kinetik von elektrochemischen Prozessen. Das wiesen Wissenschaftler mit sogenannten Elektropolier-Experimenten nach. Sie erreichten in ihren Versuchen eine Stromerhöhung um mehr als 50 Prozent, was für einen erhöhten Ladungsträgertransport spricht.
Können diese Ergebnisse auf Akkumulatoren übertragen werden? Diese Frage untersuchten die Projektpartner am Beispiel der Blei-Schwefelsäure-Batterie. Dazu bauten sie einen automatisierten Prüfstand auf, an dem hochfrequenter Schallwellen in Batteriesysteme eingestrahlt werden können.

Für die Akkumulator-Versuche wurden Bleizellen mit unterschiedlicher Anzahl an Elektroden aufgebaut. Es zeigte sich, dass die akustischen Wellen im Akkumulator an der Gitterstruktur und der Bleipaste der Elektroden gestreut und gedämpft werden. Trotz des für die Schallausbreitung eher ungünstigen Aufbaus war es dennoch möglich, akustische Wellen auf diesen Elektroden anzuregen. Auch konnte ein Einfluss auf die Lade- und Entladekurven durch die akustischen Wellen beobachtet werden.

Sowohl im 3-Elektroden-System als auch im 15-Elektroden-System konnten die Wissenschaftler den Einfluss der akustischen Wellen auf das Ladeverhalten nachweisen (Abbildung links oben). Die Differenz zwischen der Ladekurve ohne Schall (blau) und der Ladekurve mit Schall (rot) zeigt den deutlichen Einfluss der Schallwellen auf die elektrochemischen Transportprozesse. Bei dem 15-Elektroden-System verkürzte sich die Ladezeit um bis zu 10 Prozent.

Trotz erster Erfolge dämpfen die Forscher die Erwartungen für die Marktreife von Akku-Zusatzkomponenten. Derzeit recherchieren sie, bei welchen anderen Batterietypen höhere Erfolgschancen zu erwarten sind. Ein aussichtsreicher Kandidat ist die Redox-Flow-Batterie. Ihre Geometrie eignet sich besser für eine homogene Schalleinkopplung.

Gefördert durch die Bundesregierung aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages

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