Flüssigkeitsgekühlte Batterie lebt 26 Prozent länger

Eine flüssigkeitsgekühlte Fahrzeugbatterie könnte längeren Fahrspaß bereiten. Dabei ist nicht die verbesserte Kühlleistung an sich, sondern ein möglichst kleiner Temperaturunterschied zwischen den Zellen der entscheidende Faktor für die geringere Degradation. Das geht aus einer Forschungsarbeit hervor, an der diverse Institute wie die Jülich Aachen Research Allianz, RWTH Aachen und das Helmholtz-Institut Münster beteiligt waren.

Die Gruppe Forschender hat zwei Batteriepacks mit jeweils 25 Zellen des zylindrischen 18650 Typs Zyklentest unterzogen. Der Unterschied zwischen den beiden lag in der Art der Kühlung. Die eine Batterie wurde durch Ventilatoren belüftet. Die andere Batterie wurde in ein kommerziell verfügbares Kühlmittel getaucht, was wiederum durch Zirkulation und Kühlrippen gekühlt wurde. Ziel war es, die unterschiedliche Degradation der Batteriezellen zu quantifizieren. Das die Temperatur einen Einfluss auf die Degradation von Batteriezellen hat, ist gut dokumentiert. Daher verwenden Autohersteller auch diverse Kühlstrategien für ihre Batteriepacks. Durch Ventilatoren unterstütze Luftkühlung ist dabei die am weitesten verbreitete Variante.

Homogene Zelltemperatur

Unter dem Gesichtspunkt der Langlebigkeit der Batteriezelle ist es aber nicht unbedingt die beste Variante. Das Batteriepack, welches mithilfe eines Kühlmittels gekühlt wurde, zeigte eine einheitlichere Zelltemperatur. Die Temperaturabweichung zwischen den Zellen betrug nur 1,5 Grad Celsius. Die Abweichung der Zelltemperatur bei der luftgekühlten Batterie lag bei zwischen 13 und 15 Grad Celsius. Um den Effekt der homogenen Zelltemperatur auf die Zyklusstabilität zu testen, haben die Forschenden darauf geachtet, dass die durchschnittlichen Zelltemperaturen etwas gleich hoch lagen. Während die luftgekühlte Batterie bei 23 Grad Celsius Umgebungstemperatur getestet wurde, lag die Temperatur für die flüssigkeitsgekühlte Batterie bei 35 Grad Celsius.

Die Forschenden unterzogen die beiden Batterien Hunderte von Volllastzyklen und stellten fest, dass nach 600 Volllastzyklen die luftgekühlte Batterie bereits eine 3,3 Prozent geringere Kapazität hatte als die flüssigkeitsgekühlte. Im Test gingen sie davon aus, dass die Batterie ihr Lebensende erreicht hat, sobald die Kapazität auf 75 Prozent der Nennkapazität gefallen ist. Für die luftgekühlte Batterie ist dieser Fall nach 1058 Zyklen eingetreten. Die flüssigkeitsgekühlte Batterie erreichte ihr Lebensende erst nach 1332 Volllastzyklen. Somit ist die Lebensdauer der Flüssigkeitsbatterie 26 Prozent länger.

Geringere Leistungsdichte am Nissan Leaf

Das Team untersuchte auch die Möglichkeiten des Einsatzes in der Automobilindustrie. Dafür bauten die Forscher die Batterie eines Nissan Leaf Elektrowagens nach. Die 40 Kilowattstunden Batterie des Kleinwagens besteht normalerweise aus Pouch-Zellen und wiegt 175 Kilogramm. Eine ähnliche Batterie aus zylindrischen Zellen wiegt 181 Kilogramm. Zusätzlich werden noch 62 Kilogramm des Kühlmittels verwendet. Das Mittel füllt dabei nur die Zwischenräume zwischen den Zellen aus, sodass eine flüssigkeitsgekühlte Batterie kein zusätzliches Volumen benötigen würde. Zudem müssten noch zwischen 20 und 40 Kilogramm weiterer Komponenten für die Zirkulation des Kühlmittels und Kühlrippen verbaut werden. Die Leistungsdichte der flüssigkeitsgekühlten Batterie beträgt somit 102 Wattstunden pro Kilogramm. Eine Einbuße von 22 Prozent gegenüber der luftgekühlten Standardbatterie von Nissan.

Die Forschenden stellten allerdings auch fest, dass die einige Zellen der flüssigkeitsgekühlten Batterien Defekte aufzeigten, die die luftgekühlte Batterie nicht hatte. Das könnte entweder an Produktionsunterschieden liegen, so das Team. Es könnte aber auch daran liegen, dass das Kühlmittel in die Zylinder eingetreten ist.