Schnelle Konkurrenz für Batterien

Anbieter zum Thema

GGB Heilbronn GmbH

Schwarz AG - Warmpresswerk

Angehrn AG - Umformtechnik

Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA

Aktivmaterial mit Nanostruktur

Das Trägermaterial der PowerCap-Elektroden besteht aus Nickelschaum. Dieser wird mit einem Aktivmaterial beschichtet und anschliessend gepresst. Die genaue Beschaffenheit des Aktivmaterials steht noch nicht fest. IPA-Wissenschaftler Carsten Glanz testet derzeit eine Paste, die sich im Wesentlichen aus Komponenten zusammensetzt, wie sie bereits für Batterie-Elektroden verwendet werden. «Wir fügen lediglich nanoskalige Komponenten wie Graphene Nanoplatelets (GNP) hinzu. Sie sind das neue und auch das entscheidende Element in dieser Mischung», betont er. Die Graphene Nanoplatelets werden zugesetzt, weil die Grösse der Oberfläche massgeblich bestimmt, wie viel Energie gespeichert werden kann. «Es gibt kein Material, das eine grössere spezifische Oberfläche hat als Graphen», erklärt Glanz.

Die fünf bis zwanzig Nanometer dicken Kohlenstoffplättchen werden am IPA in einem speziell entwickelten Verfahren für die PowerCap-Elektroden hergestellt. «Man könnte die Plättchen auch zukaufen. Aber was derzeit am Markt erhältlich ist, eignet sich nur mit einer umfangreichen Nachbehandlung für unsere Zwecke», winkt Glanz ab. Die GNP müssen bestimmte Abmessungen haben und sollten sich zudem möglichst gleichmässig und mit Abstand zueinander in der Elektrode verteilen. «Beim Speichervorgang benötigen geladene Teilchen freien Raum in der Elektrode und diesen müssen sie gut erreichen können», erklärt Glanz. Je mehr Ionen sich an den Carbon-Plättchen anlagern, desto mehr Energie können die Power-Caps speichern.

Auch für GNP gilt, dass die Oberfläche eines kompakten Blocks kleiner ist als die Summe der Oberflächen der einzelnen Bausteine, aus denen der Block zusammengesetzt ist. Um in den begrenzten Raum, der an den Elektroden zur Verfügung steht, eine möglichst grosse Kohlenstoffoberfläche einzubauen, müssen die einzelnen Segmente deshalb möglichst klein sein. «Gleichzeitig müssen wir verhindern, dass die Nano-Plättchen agglomerieren, sich also zu Klumpen verbinden oder stapeln. Deshalb verwenden wir unterschiedlich grosse Plättchen und funktionalisieren deren Oberflächen», verrät Glanz. Bei der Funktionalisierung werden auf den Oberflächen gezielt Fremdstoffe angelagert, welche die Plättchen auf Abstand halten. Dazwischen entsteht freier Raum, in den geladene Teilchen eindringen können.

Die GNP-Paste wird im gleichen etablierten Nassbeschichtungsverfahren in den Nickelschaum eingearbeitet, das Batteriehersteller wie Varta bereits zur Herstellung handelsüblicher Batterien oder Knopfzellen einsetzen. Allerdings hat die Nassbeschichtung einen Nachteil: «Das fertige Elektrodenmaterial muss erst getrocknet werden, bevor man es weiterverarbeiten kann», stellt Markus Cudazzo vom Fraunhofer IPA fest. Der Experte für Pulverlackierung arbeitet deshalb an einem Trockenbeschichtungsverfahren. «Entfällt der Prozessschritt der Trocknung, beschleunigt das nicht nur den Herstellungsprozess insgesamt, es reduziert auch den Energieverbrauch ganz erheblich. Ausserdem können wir im Gegensatz zur Nassbeschichtung bei diesem Verfahren auf Lösemittel verzichten und so sehr viel umweltfreundlicher produzieren», erklärt er.

Wie Glanz verwendet auch Cudazzo Nickelschaum als Träger und Aktivmaterialien auf Kohlenstoffbasis – allerdings nicht als Paste, sondern in Pulverform. Mehr will er im Moment nicht verraten, da die Versuche noch laufen. Nur so viel: «Die üblichen Produktionsgeschwindigkeiten für Elektrodenfolien liegen derzeit im Bereich von fünf Metern pro Minute. Mit unserem Verfahren liesse sich das durchaus auf 30 Meter pro Minute steigern.»

Trocken statt nass

Zur Beschichtung von Metallprodukten sind Pulverlacke in Europa längst Standard – egal, ob es um Waschmaschinen, Gartenmöbel oder Schaltschränke geht. Im Gegensatz dazu spielen Konzepte zur Trockenbeschichtung in der Speicherzellen-Produktion bislang noch nicht einmal eine untergeordnete Rolle. Zu Unrecht, findet Energietechnikexperte Montnacher, denn der Ansatz sei mindestens ebenso interessant wie erfolgversprechend: «Das Know-how aus der Lackiertechnik eröffnet ganz neue Perspektiven für eine wettbewerbsfähige Produktion von Energiespeichern im industriellen Massstab. Wir brauchen sowohl neue Ansätze in der Produktionstechnik als auch neue und leistungsstarke Speichertechnologien, wenn wir die Batterieherstellung am Standort Deutschland neu beleben und ausweiten wollen.»

Standard-Speicherzellen für den Massenmarkt kommen mittlerweile fast ausschliesslich aus den USA oder Asien. «Daran wird sich so schnell auch nichts mehr ändern. Unsere Stärke sind hochwertige Produkte für anspruchsvolle Anwendungen und genau hier sollten wir auch ansetzen», denkt Mont­nacher. So machen Hybrid-Speicher wie die FastStorage-PowerCaps nicht nur Lösungen zur Energie-Rückgewinnung effizienter oder überhaupt erst möglich. Sie schaffen auch die Basis für schnelle und komfortablere Lösungen zum Laden mobiler, batteriebetriebener Geräte.

Intralogistik als Wegbereiter

«Ein Paradebeispiel sind fahrerlose Transportsysteme (FTS), wie sie in Werkhallen eingesetzt werden», sagt Montnacher. Die Elektrofahrzeuge transportieren auf festgelegten Wegen eigenständig und vollautomatisch Teile von einer Arbeitsstation zur anderen. Theoretisch könnten sie ständig im Einsatz sein, praktisch müssen sie immer wieder für längere Zeit pausieren, um ihre Batterie aufzuladen. «Diese Zeiten liessen sich erheblich reduzieren», ist sich Montnacher sicher. Mit einem schnellen und leistungsstarken Speicher an Bord könnten die FTS ihre Laufzeit verlängern, indem sie zum einen Bremsenergie zu­rückgewinnen und zum anderen im laufenden Betrieb Strom tanken. Über berührungsloses, induktives Laden an den Haltepunkten oder auch unterwegs, quasi im Vorbeifahren, dies könnte sich der Wissenschaftler gut vorstellen. Ebenfalls gut vorstellen könnte er sich, dass die ersten PowerCaps genau hier, in der Intralogistik, zu finden sein werden: «Im Bereich Storage for Motion – bei allem, was sich bewegt, und elektrisch angetrieben wird. Hier gibt es einfach das grösste Potenzial.» <<

(ID:43181351)