18/11/2011

Schaum für alternative Antriebskonzepte

Ob als Gasdiffusionslage in Metall-Luft-Batterien oder Brennstoffzellen oder als Current-Collector in Supercapacitoren – der innovative Werkstoff lässt sich optimal an die jeweilige Anwendung anpassen und ermöglicht dadurch höhere Energiedichten beziehungsweise längere Laufzeiten.

Seine Einsatzflexibilität erhält der Metallschaum durch einen von Alantum entwickelten Herstellungsprozess. Dabei entstehen Nickel-Schaummatten mit offenporiger Struktur und hohlen Stegen. Die Porengröße ist mit 450, 580, 800 und 1200 µm genau definiert. Anschließendes Glühen hält den Werkstoff flexibel und frei formbar. Eingesetzt wird der elektrisch leitende Metallschaum in großen Mengen als Kathode in Nickel-Metall-Hydridbatterien (NiMH-Akkus), die unter anderem bei Elektroautos und Hybridfahrzeugen Stand der Technik sind. Bei dieser Anwendung bietet der Nickel-Metallschaum durchaus noch Optimierungspotenzial zur Steigerung der Energiedichte. Und zwar durch eine Beschichtung mit Grafit oder anderen für die Energiespeicherung geeigneten pulverförmigen Materialien, die in einem speziellen Sinterprozess auf die offenporige Struktur aufgebracht werden.

Verbesserte Leistungsabgabe bei Metall-Luft-Batterien

Um in punkto Reichweite und Beschleunigung besser zu werden, läuft die Forschung im Bereich Batterietechnologie weltweit auf Hochtouren. Ein vielversprechender Ansatz sind Metall-Luft-Batterien. Deren Leistung lässt sich mit dem porösen Werkstoff ebenfalls verbessern. Als Gas-Diffusionslage optimiert der Schaum die Anströmung der Metall-Elektrode, zum Beispiel Zink, mit Sauerstoff. Dies führt zu einer gleichmäßigeren Energieproduktion und Leistungsabgabe.

Für diesen Einsatz steht der Werkstoff als reiner Nickelschaum und als Metalllegierungsschaum zur Verfügung. Letzterer wird nach der Herstellung in einem patentierten, stabilen Prozess mit hochlegierten, anwendungsoptimierten Metallpulvern beschichtet. Damit können beispielsweise Beständigkeit gegenüber aggressiven Atmosphären und Korrosion sowie eine Temperaturbeständigkeit bis 1.000 °C einstellt werden.

Superkondensatoren mit doppelter bis dreifacher Energiedichte

Einen wichtigen Beitrag zur Elektromobilität können auch Superkondensatoren leisten. Denn sie sind in der Lage, die beim Beschleunigen und Bremsen auftretenden Spannungsspitzen auszugleichen und damit die Lebensdauer von Batterien und Brennstoffzellen zu verlängern. Die so genannten Supercaps können Energie schneller abgeben und aufnehmen als Batterien, allerdings verfügen sie nicht über eine so hohe Energiedichte. Ob diese sich durch den Einsatz von Schaummaterial erhöhen lässt, war Bestandteil des Forschungsprojekts „Alternative Energy Technologies for Transportation (AETT)“, das die Fraunhofer-Gesellschaft gemeinsam mit der Universität Michigan und dem Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) sowie der Alantum Europe als Schaumlieferant durchführte. Der Metalllegierungsschaum diente dabei als Current-Collector (Stromsammler). Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren, bei denen Kohlenstoff auf eine Folie aufgebracht wird, wurde der Schaum mit Molybdän- und Vanadium-Nitrit als aktivem Material infiltriert. Diese Materialien haben im Vergleich zu Kohlenstoff eine zwei- bis dreifach höhere Energiedichte. Durch die spezielle Struktur und große Oberfläche des Schaumes gelang es, so viel aktives Material aufzubringen, dass auch eine Erhöhung der Energiedichte des Bauteils Supercap um den Faktor zwei bis drei möglich ist.

Gasdiffusionslage in Brennstoffzellen

Mit Vorteilen kann der Metalllegierungsschaum auch beim Einsatz als Gasdiffusionslage in Brennstoffzellen aufwarten. Hier ist es einerseits eine optimierte Gleichverteilung des Gases und die daraus resultierende, höhere Leistungsdichte über die gesamte Membranfläche. Andererseits kann der Metallschaum an die Bipolarplatte angesintert werden, so dass eine direkte elektrische Verbindung entsteht. Ein weiteres Plus ist, dass der Metalllegierungsschaum der üblicherweise sehr aggressiven Atmosphäre in Brennstoffzellen widersteht.
Für den Einsatz als Gasdiffusionslage lässt sich der Werkstoff mit den gängigen Legierungen wie beispielsweise der Edelstahllegierung 316L und CroFer ebenso wie mit neuen, anwendungsoptimierten Metallpulvern beschichten.

Großserienproduktion und Forschungslabor

Rund vier Millionen Quadratmeter Nickelschaum produziert Alantum derzeit in China pro Jahr. Hinzu kommen 500.000 Quadratmeter Metalllegierungsschaum, die in Korea hergestellt werden. Um den Werkstoff für Anwendungen in der Elektromobilität weiter zu optimieren, arbeitet das in München ansässige Unternehmen eng mit dem Fraunhofer IFAM in Dresden zusammen. Dort steht auch ein Forschungslabor zur Verfügung, in dem Versuche durchgeführt und Muster angefertigt werden können.

Quelle: ALANTUM Europe GmbH