Fraunhofer-Forscher entwickeln neues Material, das die Kosten massiv senken soll

Vielleicht erinnern Sie sich noch an den Quant e von Nanoflowcell. Die Studie vom Genfer Autosalon 2014 war nicht nur ein schicker Sportwagen mit Flügeltüren, sondern er hatte auch ein technisches Schmankerl zu bieten: eine Redox-Flow-Batterie.

Diese speichert elektrische Energie in Form von chemischen Verbindungen, wobei die Reaktionspartner in gelöster Form vorliegen. Die zwei energiespeichernden Elektrolyte zirkulieren dabei in zwei getrennten Kreisläufen. Diese treffen sich in einer galvanischen Zelle, wo mittels einer Membran der Ionenaustausch erfolgt. Dabei werden die Stoffe im einen Kreislauf chemisch reduziert, die im anderen oxidiert. Dabei wird elektrische Energie frei, die genutzt werden kann. Wird der Prozess umgekehrt, wird die Batterie mit Strom von außen aufgeladen.

Redox-Flow-Batterien gelten als eine vielversprechende Lösung zur Speicherung von elektrischer Energie. Doch die Technik war bisher zu teuer für den Massenmarkt. Durch eine Entwicklung des Fraunhofer-Instituts für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik (UMSICHT) könnte sich das ändern. Die Forscher entwickelten ein neuartiges Material, das die Kosten massiv senken soll.

Am besten erklären das Ganze natürlich die Forscher selbst:

Nach dem Video zielen die Forscher vor allem auf stationäre Energiespeicher, zum Beispiel für regenerativ erzeugte Energie, aber auch mobile Anwendungen sind möglich. Damit sind aber eher Brennstoffzellen-Autos als reine Elektroautos gemeint.  

Redox-Flow-Batterien gelten als besonders zyklenstabil – ihre Kapazität nimmt also auch nach tausenden Zyklen nicht merklich ab – als auch nicht brennbar und lassen sich in puncto Leistung und Kapazität auf den Bedarf auslegen. Zudem brauchen sie keine kritischen Materialien, und ihre Elektrolyte können vollständig zurückgewonnen werden. Aber: Bis dato waren sie schlichtweg zu teuer.

Die UMSICHT-Forscher wollen das Problem nun gelöst haben:

"Der entwickelte Stack, das Herzstück einer jeden Redox-Flow-Batterie, ist von den Materialkosten her 40 Prozent günstiger, auch die Produktionskosten konnten deutlich gesenkt werden. Der Stack wiegt 80 Prozent weniger als ein herkömmlicher Stack und ist nur etwa halb so groß." (Prof. Christian Doetsch)

Üblicherweise bestehen die Stacks aus 160 gestapelten Komponenten, die mit Schrauben und massiven Metallplatten zusammengehalten und mit zahlreichen Dichtungen abgedichtet werden. Ein Teil dieser Komponenten wird im Spritzguss-Verfahren hergestellt und ist wegen der dabei nötigen hohen Drücke und Temperaturen sehr spröde.

Die Forschenden fanden nun eine neue Herstellungsmethode für diese Teile. Dabei werden Kunststoff-Pellets auf bis zu minus 80 Grad gekühlt, zermahlen und mit 80 Prozent Graphit gemischt. Das entstehende Pulver wird durch ein ausgetüfteltes Walzen-System mit verschiedenen Temperaturen und Geschwindigkeiten geschickt. Dabei wird das Material aufgeschmolzen, geknetet, zu einer Endlos-Platte ausgewalzt und schlussendlich aufgerollt.

Das Material ist elektrisch leitend und hat thermoplastische Eigenschaften, das heißt: Das Zeug ist biegsam und lässt sich verschweißen. Der Stack kommt somit ohne eine einzige Dichtung aus, auch Schrauben sind überflüssig – die Zellen werden einfach miteinander verschweißt.

Außerdem lassen sich Bipolarplatten damit schneller und damit kostengünstiger herstellen, und es gibt auch keine Größenbegrenzung mehr. Bis zu mehrere Quadratmeter große Platten sind problemlos möglich. Auch können die Platten mit 0,1 bis 0,4 Millimeter deutlich dünner sein als Platten aus dem Spritzguss, wo die Dicke mehrere Millimeter beträgt. So ist weniger Material notwendig, was Preis und Gewicht senkt.

Das Ganze ist offenbar so anwendungsnah, dass der Stack von der Spin-off-Firma Volterion vermarktet werden soll. Die Firma hat bereits über tausend Stacks gebaut und verkauft.

Redox-Flow-Batterie (UMSICHT)
Die Entwickler: Dr. Thorsten Seipp, Lukas Kopietz, Prof. Christian Doetsch (v.l.n.r.)

Die Fraunhofer-Forscher Christian Doetsch und Lukas Kopietz sowie Dr. Thorsten Seipp von der Firma Volterion erhielten für die Entwicklung nun den Joseph-von-Fraunhofer-Preis. Die Jury begründete ihre Entscheidung unter anderem mit "der Ausgründung und dem erfolgreichen Exit von Fraunhofer, die prototypisch den Weg der Vermarktung von neuen Fertigungstechnologien zeigen".