Technologie

Kompakte Akkus mit Bipolarplatten

01.02.2019 - Flexible Polymere erlauben eine kostengünstige Fertigung von Batterien.

Konventionelle Batterie­systeme sind extrem komplex: Sie bestehen meist aus mehreren Einzelzellen, die über Kabel miteinander verbunden sind. Dies ist nicht nur aufwendig, sondern es besteht zudem die Gefahr von Hot-Spots – also Bereichen, in denen die Kabel zu heiß werden. Dazu kommt: Jede einzelne dieser Zellen muss verpackt werden. Ein großer Teil der Batterie besteht also aus inaktivem Material, das nicht zur Batterie­leistung beiträgt. Bipolare Batterien sollen dieses Problem lösen: Bei ihnen werden die einzelnen Zellen mittels flächigen Bipolar­platten miteinander verbunden. Aller­dings treten hier andere Heraus­forderungen auf. Denn die Bipolar­platten bestehen entweder aus Metall und sind somit anfällig für Korrosion. Oder sie werden aus einem Kunststoff-Kohlen­stoff-Gemisch gefertigt, müssen dann aller­dings herstellungs­bedingt mindestens mehrere Milli­meter dick sein.

Forscher am Fraun­hofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energie­technik UMSICHT in Oberhausen haben nun eine Alter­native entwickelt. „Wir stellen Bipolar­platten aus elektrisch leitfähig einge­stellten Polymeren her“, sagt Anna Grevé, Abteilungs­leiterin am Fraunhofer UMSICHT. „Auf diese Weise können wir sehr dünne Platten realisieren und – verglichen mit konven­tionellen mit Kabeln verbun­denen Zellen – über achtzig Prozent des Materials einsparen.“ Darüber hinaus bietet das Material zahlreiche weitere Vorteile. Zum einen korrodiert es nicht. Zudem lässt es sich nach­träglich umformen. So können beispiels­weise Strukturen hinein geprägt werden, wie sie für Brennstoff­zellen wichtig sind. Die neuartigen Bipolar­platten lassen sich zudem verschweißen, so dass das erhaltene Batterie­system absolut dicht ist.

Konven­tionelle Bipolar­platten hingegen sind durch die thermische und mecha­nische Belastung des Materials während der Fertigung dagegen zum Verschweißen unge­eignet: Um sie so zusamme­nzufügen, dass weder Gase noch Flüssig­keiten die Füge­stellen passieren können, sind Dichtungen erfor­derlich. Diese werden jedoch schnell porös, zudem brauchen sie Platz. Ein weiterer Vorteil des neuen Materials: Die Forscher können die Eigen­schaften der Bipolar­platten an die jeweiligen Anfor­derungen anpassen. „Möglich sind sowohl Platten, die so biegsam und flexibel sind, dass man sie um den Finger wickeln kann, als auch brettharte“, konkre­tisiert Grevé.

Die Heraus­forderung lag vor allem in der Entwicklung des Materials und des Herstellungs­prozesses. „Zwar verwenden wir markt­übliche Polymere und Graphite. Das Geheimnis liegt jedoch im Rezept“, sagt Grevé. Da das Material zu etwa achtzig Prozent aus Graphiten und nur zu etwa zwanzig Prozent aus Kunst­stoffen besteht, haben die Verarbeitungs­prozesse mit der üblichen Kunststoff­verarbeitung nur wenig gemein. Das Forscher­team entschied sich für das Rolle-zu Rolle-Verfahren, das eine kosten­günstige Herstellung erlaubt, und passte dieses mit viel Know-how an. Schließlich müssen die Inhalts­stoffe in den produ­zierten Platten homogen verteilt sein, zum anderen müssen die Platten mechanisch stabil und komplett dicht sein. Aufgrund der Ausgangs­struktur der Materialien war das nicht einfach. Doch die Experten konnten auch diese Heraus­forderung meistern. „Wir konnten alle Anfor­derungen innerhalb eines Prozesses erfüllen. Die Platten können daher so verwendet werden, wie sie aus der Anlage kommen“, erläutert Grevé. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens: Die Platten lassen sich in belie­biger Größe herstellen.

FhG / JOL

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