Die 0,5 mm dünnen Thermoplast-basierten Bipolarplatten sind sehr flexibel. (Bild: alle Fraunhofer Umsicht)
Die Entwicklung flexibler und ressourceneffizient produzierter elektrisch leitfähig eingestellter Thermoplast-Compounds offeriert fortan vielfältige Einsatzmöglichkeiten für elektrische (als Widerstandsheizelement), elektrochemische (als Bipolarplatte in der Energietechnik) und mechanische (Gleitlager) Anwendungen.
Biopolarmatten für leistungsstarke Energiespeicher
Im Bereich der elektrochemischen Speicher stellen Akkumulatoren eine weit verbreitete Speichertechnologie dar, die sich sowohl vielseitig stationär als auch mobil anwenden lässt. Neben den etablierten Lithium-Ionen-Batterien werden insbesondere bei stationären Anwendungen zunehmend auch Redox-Flow-Batterien eingesetzt. Diese speichern anders als herkömmliche Batterien elektrische Energie in flüssigen chemischen Verbindungen in externen Tanks. Die Energieumwandlungseinheit und das energiespeichernde Material sind hierbei voneinander getrennt, so dass die Leistung und die Kapazität der Redox-Flow-Batterien frei skalierbar sind. Als alternative, wasserstoffbasierte Energiewandler bieten darüber hinaus Brennstoffzellen ein großes Einsatzspektrum.
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. Während aktuelle Batteriesysteme auf einer Vielzahl miteinander verschalteter Einzelzellen basieren – was Nachteile in Effizienz und Fertigung mit sich bringt, stapeln bipolare Batterieaufbauten Einzelzellen kompakt als Stack. Die Platten verbinden mehrere Zellen eines Zellstapels kompakt, ressourcenschonend und vollflächig miteinander.
Dabei müssen die Bipolarplatten sowohl elektrisch und thermisch gut leitfähig als auch unempfindlich gegenüber chemischen Einflüssen und hohen mechanischen Anpressdrücken in der Zelle sein. Diese hohen Anforderungen erfüllen längst nicht alle Bipolarplatten-Compounds. So können Bipolarplatten aus metallischen Werkstoffen zwar sehr dünn hergestellt werden, jedoch weisen sie ein hohes spezifisches Gewicht auf und verfügen über eine nur geringe Korrosionsbeständigkeit.
Duroplast-gebundene Bipolarplatten sind dagegen zwar korrosionsfrei, jedoch vergleichsweise dick. Sie müssen spanend nachbearbeitet werden und können nach ihrer Herstellung nicht mehr umgeformt werden.
Erstmals fortlaufende Produktion von Bipolarplatten möglich
Die neuen Bipolarplatten sind elektrisch hochleitfähig, mechanisch stabil, gasdicht und chemisch resistent sowie umformbar und verschweißbar.
Das Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik Umsicht entwickelte Kunststoff-Compounds für Thermoplast-basierte Bipolarplatten. Mit lediglich 0,5 mm Materialdicke entwickelten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zum ersten Mal Bipolarplatten, die um den Faktor 5 bis 10 dünner sind als bisherige Platten mit 3 bis 4 mm. Das ist bisher weltweit einzigartig. Eine durchdachte und schonende Temperierung der Kunststoffe im Produktionsprozess ermöglicht zudem, dass die Thermoplast-basierten Bipolarplatten auch im Nachgang noch umgeformt und sogar verschweißt werden können. Die Bipolarplatten können miteinander und mit anderen Fügepartnern stoffschlüssig verbunden werden und erlauben den kompletten Verzicht auf Dichtflächen.Konventionelle Bipolarplatten hingegen sind durch die thermische und mechanische Belastung des Materials während der Fertigung 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 Forscherinnen und Forscher können die Eigenschaften der Bipolarplatten an die jeweiligen Anforderungen anpassen.
Ihren Einsatz finden die korrosionsfreien Platten neben elektrischen und mechanischen Anwendungen auch in elektrochemischen Speichern (Batterien) oder Energiewandlern (PEM-Brennstoffzellen).
Fertigung im Rolle-zu-Rolle-Verfahren
Das industrielle Rolle-zu-Rolle-Verfahren ist zur Herstellung flexibler, leitender Folien längst etabliert und gehört als kontinuierliches Verfahren zum Stand der Technik. Die steigende Anzahl an vielfältigen Optionen der Oberflächenfunktionalisierung in fortlaufenden Prozessen lässt dem Rolle-zu-Rolle-Verfahren eine stetig höhere Bedeutung zukommen. So optimierten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Forschungsinstituts die bestehende Anwendung zur Herstellung von Kautschukmatten und ertüchtigten das Verfahren für ihre spezifischen thermo-plastischen Materialien, um damit eine fortlaufende Produktion der Bipolarplatten zu ermöglichen.
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer Umsicht produzieren die Bipolarplatten mit dem kosteneffizienten und kontinuierlichen Rolle-zu-Rolle-Verfahren.
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Abteilung Elektrochemische Energiespeicher des Oberhausener Forschungsinstituts geben in dem Prozess direkt pulverförmige Ausgangsstoffe hinzu. Mit dieser materialschonenden Vorgehensweise lassen sich Thermoplast-basiertes Kunststoff-Compound verarbeiten. Durch das Überführen dieses Verfahrens von der Laboranlage in eine großtechnische Fertigung ist es jetzt erstmals möglich, eine fortlaufende Produktion von 0,5 mm (dünner als ein Blatt Papier) bis 1 mm dünnen und hochgefüllten Bipolarplatten zu demonstrieren und die Technologie auch für weitere Anwendungen als kostengünstige Komponente weiter zu entwickeln.
Das Geheimnis liegt in der richtigen Rezeptur
Die richtige Zusammensetzung des Materials stellte hierbei eine zentrale Herausforderung dar. Es werden zwar marktübliche Polymere und Graphite verarbeitet, das Geheimnis jedoch liegt in der Rezeptur: Lediglich 20 Prozent Kunststoff als Matrix und 80 Prozent Graphit sowie in kleinen Mengen Ruß verarbeiten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zu Bipolarplatten. Die Compounds können unterschiedlich hoch gefüllt werden. Die mit einem hohen Kohlenstoff-Füllgrad ausgestatteten Bipolarplatten sind somit hochleitfähig und lassen sich in chemikalienresistenten Wärmeüberträgern einsetzen. Die flexible Prozessführung ermöglicht es aber auch, Bipolarplatten mit einem geringen Kohlenstoff-Füllgrad zu versehen und die geringere Leitfähigkeit innerhalb eines Widerstandsheizelementes zu nutzen.
Die Wahl des Kunststoff-Werkstoffs fiel dabei auf ein spezielles Polymer: das thermoplastische Elastomer auf Olefinbasis (TPE-O, TPO), welches durch seine Kombination der anwendungsspezifischen Eigenschaften überzeugte. Die Vorteile gegenüber Kautschukcompounds liegen in den niedrigeren Verarbeitungskosten und der Möglichkeit des nachträglichen Umformens sowie der Verschweißbarkeit.
Material- und ressourcenschonend
Durch die Prozessführung können Bipolarplatten material- und ressourcenschonend in geringen Materialstärken hergestellt werden. Ein weiterer Vorteil ist die hohe Flexibilität des Herstellungsverfahrens: Es können sowohl harte als auch biegsame Platten gefertigt werden. Zudem ist der Prozess vergleichsweise kosteneffizient. Werden die Bipolarplatten zum Beispiel für Batteriesysteme eingesetzt, kann durch die geringe Plattenstärke 80 Prozent des Materials, im Vergleich zu konventionell hergestellten Materialien, eingespart werden. Neben der freien Wahl der leitfähigen Additive kann mit diesem Verfahren nahezu jedes Material der thermoplastischen Matrix genutzt werden. Neben den thermoplastischen Elastomeren (TPE, TPS, TPV, TPU) sind auch Niedertemperatur-Thermoplaste (PE, PP, PA) und Hochtemperatur-Kunststoffe (PVDF, PPS) als bindende Matrix geeignet. Das erweitert den Einsatzhorizont der elektrisch leitfähigen Polymere. n
Die Forschungsaktivitäten stellen eine Weiterentwicklung aus dem Forschungsvorhaben »KONTIFLEX« dar. Das Projekt »KONTIFLEX« wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert. Projektträger Jülich. Projektlaufzeit: August 2015 bis Dezember 2018.
