Rasterelektronische Aufnahme der nickelbasierten Ultrahochleistungselektroden. ©Bild: ZSW

Rasterelektronische Aufnahme der Hochoberflächen-Nickelelektrode mit 1μm-Auflösung mit erkennbarer Nanostruktur der Einzelpartikel. ©Bild: ZSW

Ultrahochleistungs-Speicher: Lade- und Entladezeit von 3 Sekunden

(PM) Ultrahochleistungs-Speicher können innerhalb kurzer Zeit viel Strom abgeben und aufnehmen. Für viele Industrieanwendungen und Hybridautos ist das interessant. Wissenschaftler am Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg haben nun Elektroden für neuartige Stromspeicher entwickelt, die die Lade- und Entladegeschwindigkeit bis auf drei Sekunden reduzieren können.


Möglich wurde der technische Fortschritt durch eine nanostrukturierte Oberfläche der Elektroden. Als Elektrolyt verwendeten die Forscher eine wasserbasierte, nicht brennbare Lösung – der Speicher kann so auch bei hohen und tiefen Temperaturen genutzt werden. Das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) erzielte die Forschungsergebnisse im Rahmen des Projekts Faststorage BW II, das vom Land Baden-Württemberg mit drei Millionen Euro gefördert wird.

Superkondensatoren
Um maximale Reichweiten für Elektrofahrzeuge zu erreichen, liegt der Fokus bei der Lithium-Ionen-Technologie auf der Optimierung der Energiedichte. Muss Elektrizität aber kurzzeitig aufgenommen und wieder abgegeben werden, etwa bei Gabelstaplern oder Hybridautos, bieten sich Hochleistungsspeicher an. Sie werden auch Superkondensatoren oder elektrochemische Doppelschichtkondensatoren genannt und können viel schneller als Lithiumakkus ge- und entladen werden.

Ultraschnell und sicher
Die Leistungsfähigkeit von Speichern wird ganz wesentlich von der Elektrodentechnologie bestimmt. Bei der neuen ZSW-Entwicklung nutzten die Forscher als Aktivmaterial für die positive Elektrode nanostrukturiertes Nickel, das nach einem speziellen Verfahren hergestellt und mit Nickelhydroxid beschichtet wird. Die negative Elektrode beschichteten sie mit kommerzieller Aktivkohle anstatt mit Metallhydrid. Als Elektrolyt kam eine wässrige Kaliumhydroxidlösung zum Einsatz. Im Vergleich zu den organischen Elektrolyten bei Superkondensatoren ist sie nicht brennbar. Das trägt zu einer erhöhten Sicherheit der Zelle bei.

Eine erste Demonstrationszelle wurde bereits angefertigt. „Die C-Rate, das heisst der Wert für die Entladegeschwindigkeit, beträgt fast 1200“, sagt Prof. Werner Tillmetz, ZSW-Vorstandsmitglied und Leiter des Geschäftsbereichs Elektrochemische Energietechnologien. „Der neue Speicher ist daher in der Lage, innerhalb von rund drei Sekunden die gesamte Kapazität zur Verfügung zu stellen.“ Das ist sehr viel mehr als bei Lithium-Ionen-Batterien, die typischerweise mit C-Werten im einstelligen Bereich betrieben werden.

Bessere Elektroden durch Nanostrukturierung
Eine Nanostrukturierung der neuen Elektroden machte diesen Fortschritt möglich. Üblich ist bisher eine Mikrostrukturierung, die eine etwa 100 bis 1000 Mal geringere Oberfläche als das ZSW-Material hat. Die Folge der feineren Strukturierung ist enorm: Die Oberfläche nimmt zu und erlaubt es, die Ladungsträger wesentlich schneller und mit geringerem Widerstand zu übertragen.

„Hergestellt wurde die Zelle in einem konventionellen Rakel-Beschichtungsverfahren im Labormassstab“, erklärt Tillmetz. „Der Herstellprozess lässt sich daher ohne grösseren Aufwand auf grossflächigere Zellen hochskalieren. Damit rückt die Herstellung von Prototypen ein gutes Stück näher.“

Der Einsatz von Ultrahochleistungsspeichern ist überall dort sinnvoll, wo kurzzeitig ein sehr hoher Strombedarf gedeckt werden muss und kurzzeitig viel Strom zurückgespeichert werden soll. Dazu gehören insbesondere industrielle Anwendungen wie Hochregallager sowie Intralogistik-Shuttle-Systeme und Hybridautos. Das jährliche Marktpotenzial für diese Zellen ist erheblich. In zwei bis vier Jahren können es bis zu 300 Millionen Euro sein. Das Projekt FastStorage BW II läuft noch bis Ende 2017.

Text: Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW)


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