Rasterelektronische Aufnahme der Hochoberflächen-Nickelelektrode mit erkennbarer Nanostruktur der Einzelpartikel
ZSW
Wissenschaftler am Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) haben Elektroden für neuartige Stromspeicher entwickelt. Eigenen Angaben zufolge können diese die Lade- und Entladegeschwindigkeit bis auf drei Sekunden reduzieren. 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.
Diese Hochleistungsspeicher eignen sich vor allem für Anwendungen, bei der die Elektrizität kurzzeitig aufgenommen und wieder abgegeben werden muss, etwa bei Gabelstaplern oder Hybridautos. Sie werden auch Superkondensatoren oder elektrochemische Doppelschichtkondensatoren genannt und können viel schneller als Lithiumakkus ge-und entladen werden. Die Leistungsfähigkeit von Speichern wird dabei ganz wesentlich von der Elektrodentechnologie bestimmt.
Ultraschnell und sicher Laden
Bei der neuen ZSW-Entwicklung nutzten die Forscher als Aktivmaterial für die positive Elektrode nano-strukturiertes 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", erklärt Professor Dr. 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
Den Wissenschaftlern zufolge ermöglichte erst eine Nanostrukturierung der neuen Elektroden diesen Fortschritt. 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 im Übrigen 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, das vom Land Baden-Württemberg mit drei Millionen Euro gefördert wird, läuft noch bis Ende 2017.
