Hitzestress im E-Auto-Akku: Forscher tüfteln an ungewöhnlichem Material
Hitze setzt E-Auto-Akkus zu. Forscher aus den USA lassen Bakterien jetzt ein Material produzieren, das die Wärme aus der Batterie bis zu zehn Mal schneller ableiten soll. Wie das geht.
E-Autos im Hitzesommer: Ein bakteriengewachsenes Material soll die Wärme aus dem Akku schneller abführen.
Foto: picture alliance / imageBROKER/Manuel Kamuf
Deutschland schwitzt. Ende Juni klettern die Temperaturen auf 36 bis 38 °C, zum Wochenende hält der Deutsche Wetterdienst regional 40 °C und mehr für möglich. Für Menschen ist das eine gesundheitliche Belastung, für Technik ein Stresstest. Vor allem der Akku im Elektroauto bekommt die Hitze zu spüren.
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Denn er erzeugt beim Laden und unter Last selbst Wärme, und je heißer es draußen ist, desto schwerer wird er sie wieder los. Dabei arbeiten moderne Lithium-Ionen-Zellen nur in einem schmalen Fenster von etwa 15 bis 35 °C zuverlässig, darüber altern sie schneller. Damit die Wärme nach außen gelangt, sitzt zwischen Zelle und Kühlsystem ein sogenanntes Thermal Interface Material. Es füllt winzige Luftspalte und verbessert so den Wärmeübergang.
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Ein Forschungsteam der University of Tennessee geht dieses Bauteil mit biologischer Hilfe an: Es lässt Bakterien an einem Material mitarbeiten, das Wärme bis zu zehnmal besser ableiten soll als heute übliche Varianten. Was dahintersteckt, was die Zahl wirklich bedeutet – und wie weit der Weg bis ins Auto ist.
Was die Bakterien beitragen
- Das Grundgerüst bildet bakterielle Cellulose: feine Fasern, die manche Bakterien von selbst bilden, wenn man sie mit Zucker füttert.
- Die Forscher lassen diese Fasern in Gegenwart von Fluorographen wachsen, einem zweidimensionalen Verwandten des Graphens.
- Während die Bakterien ihre Cellulose aufbauen, ordnet sich das Ganze zu einer stark ausgerichteten Struktur. Über diese Bahnen wandert später die Wärme.
Den Wärmetransport übernimmt dabei nicht die Cellulose, sondern das Fluorographen. Der Stoff leitet Wärme gut, Strom aber kaum, und das ist im Akku entscheidend. Ein Wärmeleitmaterial muss dort elektrisch isolieren, sonst drohen Kurzschlüsse. Graphen, der bekanntere Verwandte, fällt deshalb weg.
Wo die Innovation liegt
Ganz neu ist der Gedanke nicht. Bakterielle Cellulose wurde schon früher zu wärmeleitenden Folien verarbeitet, etwa in Kombination mit Bornitrid. Neu ist, dass die Bakterien das Fluorographen direkt mit einwachsen lassen und sich die Leitfähigkeit über Nährlösung und Verarbeitung steuern lässt.
Bei Bedarf lassen sich zusätzlich Metalloxid-Partikel einbauen, die ebenfalls von Bakterien stammen. Füttert man sie mit Zucker und Metallsalzen, liefern sie organische und anorganische Bausteine zugleich, erklärt Weinan Xu, der die Studie geleitet hat.
Der Reiz liegt für ihn in den Bedingungen: Das Verfahren läuft bei Raumtemperatur in Wasser ab, während herkömmliche Materialien oft aggressive Chemie und hohe Temperaturen verlangen.
6 W statt 30: Was „zehnmal besser“ wirklich heißt
Die Arbeit erschien Anfang Mai im Fachjournal Matter. Im Labor erreichte das Material eine Wärmeleitfähigkeit von bis zu 30 W pro Meter und Kelvin entlang der Fläche und bis zu 6 W senkrecht dazu. Für einen Akku zählt der zweite Wert, weil die Wärme quer durch das Material zum Kühlsystem muss.
Zur Einordnung: Reine Kunststoffe leiten Wärme kaum, meist unter einem halben Watt, ein Metall wie Kupfer bringt es auf rund 400. Übliche Wärmeleitmaterialien liegen quer zur Fläche zwischen deutlich unter einem und einigen Watt. Die 6 W sind damit ordentlich. Die spektakulären 30 dagegen taugen für den Vergleich kaum, weil die Wärme im eingebauten Zustand nicht in diese Richtung fließt.
Hinzu kommt eine grundsätzliche Grenze. Gemessen wurde eine Materialeigenschaft, keine Kühlleistung. Dass ein Material Wärme besser leitet, heißt nicht, dass ein Akku am Ende kühler bleibt. Das hängt am gesamten Aufbau aus Schichtdicke, Kontaktflächen, Kühlplatte und Luftstrom.
Vom Labor ins Auto
Ein fertiges Produkt ist das also nicht. Ein Stück des Materials herzustellen, dauert derzeit Tage bis Wochen. Bevor an einen Einsatz zu denken ist, will das Team die Kosten senken und die Produktion beschleunigen, so Xu. Mit Industriepartnern lote man bereits aus, ob sich das Verfahren für Elektronik und Batterien hochskalieren lässt, etwa in Autos oder Drohnen.
Rückenwind kommt aus der Rüstungsforschung. Die US-Behörde DARPA fördert Wärmeleitmaterialien, die zugleich leistungsfähiger und umweltfreundlicher sind, für Elektronik und Energiespeicher. Über die Kühlung hinaus sieht Xu weitere Felder, von der Rückgewinnung Seltener Erden bis zur Medizintechnik.
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Noch ist das Zukunftsmusik, und ob daraus je ein Bauteil für Millionen Akkus wird, entscheidet sich weniger an der Wärmeleitfähigkeit als an Preis und Tempo der Fertigung. Doch der Akku im Auto ist nur der naheliegendste Fall. Im Prinzip ließe sich das Material überall dort einsetzen, wo Wärme aus enger Elektronik abgeführt werden muss, vom Laptop über Chips in Rechenzentren bis zur Drohne. Und anders als herkömmliche Varianten wächst es bei Raumtemperatur im Wasser, statt energieaufwendig zusammengerührt zu werden.
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