Batteriekühlung: Auf dem Weg zum Ladeturbo

Weitere Evolution im Batteriemanagement

Elektroautos sind weiter auf dem Vormarsch. 2021 ist ihr Anteil an allen Neuzulassungen erneut gestiegen. Nicht ohne Grund: Die Autos sind leiser, leichter zu fahren, günstiger im Unterhalt und umweltfreundlicher. 

Ein zentraler Vorbehalt gegen Stromer ist hingegen immer noch nicht ausgeräumt. Ist der Akku leer, dauert es zu lange, ihn wieder zu füllen. Da nützen auch keine Appelle an die Vernunft, nach 400 Kilometern doch mal eine halbe Stunde Pause zu machen und in der Zeit zu laden. Wer ein Auto besitzt, will, dass es immer verfügbar ist.

Für noch mehr Akzeptanz müssten E-Autos endlich schneller laden als sie es heutzutage tun. Eine neue Generation des Thermo-Managements in der Batterie könnte die Lösung für das Problem sein. Entscheidend dafür sind auch hochspezialisierte Kühlmittel.

Doch warum dauert das Laden eigentlich so lange? Und wie lässt sich die Ladezeit verkürzen?

Die Batterie muss kühl bleiben

Schon heute können Schnellladesäulen bis zu 300 KW Strom abgeben. Das bringt in 10 Lademinuten genug Energie für 300 Kilometer. Das Problem: Praktisch kein heute verfügbares E-Auto erlaubt eine solche Ladeleistung. Das Thermo-Management der Batterie ist dafür schlicht und ergreifend nicht ausgelegt. „Der starke Stromfluss würde die Batterie so stark aufheizen, dass ihre Stabilität beeinträchtigt würde, weil sich z.B. der Elektrolyt zersetzt, was zu einem irreversiblen Kapazitätsverlust führen würde“, sagt Raphael Schmitz, Batterie-Experte bei LANXESS. Der Schlüssel für eine höhere Akzeptanz von E-Autos liege deshalb in einer besseren Batterie-Kühlung.

Ein Schlüssel für mehr Akzeptanz von E-Autos: Eine bessere Batteriekühlung

Aber wie kühlt man eine Batterie? Die einfachste, günstigste – und ineffektivste – Methode ist Luftkühlung. Während der Fahrt unterstützt der Fahrtwind den Abtransport der Wärme. Beim Laden aber steht das Auto. Die Wärme kann nur langsam abgegeben werden. Schnellladen ist damit nicht machbar. 

Deshalb setzen die meisten Hersteller heutzutage auf indirekte Kühlung. Dabei wird die Kühlflüssigkeit in Leitungen an den Batteriezellen vorbeigeführt und so die Wärme abtransportiert. Wo die Kühlleitungen die Zellen berühren, dort kühlen sie. Wo nicht, da nicht. Der Effekt dieser Technologie ist also beschränkt.

Für kürzere Ladezeiten als heute üblich braucht es deshalb einen ganz neuen Ansatz: Immer mehr Fachleute bringen sogenannte Immersionskühlung ins Spiel. Dabei wird die Batterie vollständig in Kühlflüssigkeit getaucht.  Also direkt gekühlt. Somit kann die Kühlflüssigkeit viel mehr Wärme in kurzer Zeit aufnehmen als bei den bisherigen Kühlansätzen.

Kühlflüssigkeit der nächsten Generation

Die Idee ist schnell einleuchtend. Ihre Umsetzung hingegen ist eine Herausforderung auch für die Chemische Industrie. „Für Immersionskühlung müssen muss die eingesetzte Kühlflüssigkeit deutlich mehr und ganz andere Sachen können als bisher“, stellt David Stoncipher klar. Er leitet bei LANXESS das Entwicklungsteam für Kühlflüssigkeiten. Da diese die Batteriezellen direkt umspülten, dürften sie keinen Strom leiten. Er macht deutlich, dass die Flüssigkeiten nicht mit den verschiedenen Metallen, Kunsststoffen oder Gummis reagieren dürften, die sie umgeben. Und sie müssen gut fließen können, egal welche Temperatur gerade im Akkupack herrscht. 

All diese Eigenschaft kommen zu ohnehin benötigter hoher Flammwidrigkeit, hoher Wärmekapazität und Umweltverträglichkeit noch hinzu. Ganz klar: Immersionskühlung ist eine echte Herausforderung für die Hersteller von Kühlflüssigkeiten.

Worauf es bei Kühlfüssigkeiten ankommt

Mit LANXESS-Produkten zu kürzeren Ladezeiten

Produktentwickler im LANXESS Geschäftsbereich Lubricant Additives Business haben angesichts der technologischen Entwicklung das bestehende Produktangebot weiterentwickelt.

• Polyalphaolefine (PAO): Diese  besonders reinen, synthetischen Kohlenwasserstoff-Flüssigkeiten reagieren kaum mit den sie umgebenden Materialien und haben sowohl gute thermische und elektrische Eigenschaften.
  
  
• Polyolester (POE): Basierend auf der hochreinen Hatcol-Ester-Flüssigkeitstechnologie von LANXESS weisen sie neben sehr guten thermischen und elektrischen Eigenschaften auch eine hohe Feuerbeständigkeit auf.
  
  
• Phosphatester (PE): Basierend auf unseren feuerfesten Reolube®-Hydraulikflüssigkeiten bieten sie ultimativen Brand- und Verbrennungsschutz im Falle von Unfallschäden oder elektrischen Störungen.

Die Vision ist, dass es in Zukunft kaum länger dauert, ein E-Auto zu laden, als ein Verbrenner-Auto zu betanken. Bis sie Realität wird, dauert es aber noch ein bisschen. Immersionskühlung ist derzeit noch in der Entwicklung durch die Automobilindustrie. Zum Beispiel müsste das Batteriepack dafür anders konstruiert werden. Zwar gibt es heute schon einige wenige Beispiele für die Immersionskühlung auf dem Markt, aber der Durchbruch für den Einsatz in leichten Nutzfahrzeugen wird erst in den nächsten drei bis fünf Jahren erwartet.