Flexible Polymer-Bipolarplatten ermöglichen kompakte Akkus

28. Januar 2019, 15:02 Uhr
Redox-Flow-Zelle mit 2.500 cm2 und spezielle flexible Bipolarplatte. Bild: UMSICHT/Fraunhofer.
Redox-Flow-Zelle mit 2.500 cm2 und spezielle flexible Bipolarplatte. Bild: UMSICHT/Fraunhofer.
Aktuelle Akkukonzepte basieren auf einer Vielzahl miteinander verschalteter Einzelzellen. Dies hat Nachteile bei Effizienz und Fertigung zur Folge. Konstruktionen auf der Basis flexibler bipolarer Platten stapeln Einzelzellen kompakt als Stack und erlauben eine kostengünstige Fertigung von Akkus.

Konventionelle Akkus-Packs bestehen meist aus mehreren miteinander verkabelten Einzelzellen. Sie zu fertigen ist nicht nur aufwendig, sondern im Betrieb besteht außerdem die Gefahr von Hot-Spots – Bereichen, in denen die Kabel und/oder einzelne Zellen zu heiß werden. Außerdem müssen alle Zellen einzeln verpackt werden. Die Folge ist: Ein großer Teil eines Akkupakets besteht aus inaktivem = nicht energiespeicherndem Material. Ein neues Konzept soll dieses Problem lösen: Bei ihnen werden die einzelnen Zellen mittels flächigen Bipolarplatten miteinander verbunden. Hier zeigen sich andere Probleme: Bipolarplatten sind entweder aus Metall und somit anfällig für Korrosion oder werden aus einem Kunststoff-Kohlenstoff-Mix gefertigt und sind dann herstellungsbedingt mehrere Millimeter dick.

Materialeinsparung

Am Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT in Oberhausen wurde eine neue Alternative entwickelt. Die Bipolarplatten werden dabei aus leitfähigen Polymeren hergestellt. Auf diese Weise konnten sehr dünne Platten realisiert werden, die gegenüber konventionellen Akkus aus verkabelten Einzelzellen zu über 80 % weniger Material benötigen. Weitere Vorteil sind: Es gibt keine Korrosion und die Materialien lassen sich nachträglich umformen. Es können auch Strukturen passend für Brennstoffzellen eingeprägt werden.
Außerdem lassen sich die neuartigen Bipolarplatten verschweißen, so dass das resultierende Akkupaket absolut dicht ist. Konventionelle Bipolarplatten sind zum Verschweißen wegen der thermischen und mechanischen Belastung der Materialien ungeeignet und zudem sind hier beim Zusammenbau Dichtungen erforderlich, welche jedoch schnell porös werden und weiteren Platz brauchen.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der steuerbaren Flexibilität des neuen Konzepts. Laut den Forschern lassen sich sowohl sehr biegsame und flexible als auch brettharte Platten fertigen.

 
Hochflexible Bipolarplatte. Bild: UMSICHT/Fraunhofer

Kostensparende Herstellung

Die Herausforderungen lagen vor allem in der Entwicklung von Material und geeigneten Herstellungsprozessen. Es wurden zwar marktübliche Polymere und Graphite verwendet, doch im genauen Rezept lag der Schlüssel: Das Material besteht zu etwa 80 % aus Graphiten und nur zu etwa 20 % aus Kunststoffen. Daraus resultieren deutlich andere Verarbeitungsprozesse als bei der üblichen Kunststoffverarbeitung. Letztlich ergab das sogenannte „Rolle-zu Rolle-Verfahren“ eine besonders kostengünstige Herstellung. Die zu meisternden Anforderungen waren: Die Inhaltsstoffe der produzierten Platten mussten homogen verteilt und die Platten zudem mechanisch stabil und komplett dicht sein. Aufgrund der Ausgangsstruktur der Materialien war das nicht einfach. Diese Probleme konnten alle gelöst werden und die mit der entwickelten Technik gefertigten Platten konnten so verwendet werden, wie sie aus der Anlage kamen. Besonders wichtig: Die Platten lassen sich in nahezu beliebiger Größe herstellen.

Präsentation auf der Hannover Messe

Gemeinsam mit der SAUERESSIG GmbH wurde der bisherige Produktionsprozess von Bipolarplatten für Brennstoffzellen in ein kontinuierliches Verfahren übertragen, was Mustermengen der neuartigen Bipolarplatten ermöglichte. Gefördert wurde das Projekt durch das BMWi (Bundesministerium für Wirtschaft und Energie). Auf der Preview der Hannover Messe am 24. Januar 2019 wurde das Material in verschiedenen Varianten von ganz dünnen flexiblen bis hin zu harten Platten bereits vorgestellt. Auf der Hannover Messe vom 1. bis 5. April 2019 wird dann in Halle 2, Stand C22 eine 3,2 m² große Bipolarplatte zu sehen sein, die den Bau großer Redox-Flow-Batterien ermöglicht.
 
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