Für Brennstoffzellen und Energiespeicher gilt die Lebensdauer als ein entscheidender Faktor für ihren kommerziellen Erfolg. Am EWE-Forschungszentrum für Energietechnologie NEXT ENERGY stehen moderne und innovative Analyse-Methoden zur elektrochemischen Charakterisierung zur Verfügung, die wertvolle Erkenntnisse zur Optimierung bestehender Systeme und zur Entwicklung neuartiger Materialien für eine längere Nutzungsdauer von elektrischen Speichern und Wandlern geben. Einen Überblick über aktuelle Forschungsergebnisse und die moderne Laborausstattung bei NEXT ENERGY geben die Oldenburger Energieforscher vom 18. bis 22. Juni 2012 an Stand A37 in Halle 9.2 auf der ACHEMA in Frankfurt.
Maßgeblichen Einfluss auf die Effizienz von Brennstoffzellen und Batteriesystemen haben zum Beispiel das Material und die Architektur der Elektroden. Um diese zu analysieren, blicken die Forscher themen- und bereichsübergreifend bis in kleinste Strukturen hinein: „Mit unserem institutseigenen Nano-Computertomographen sind wir in der Lage, dreidimensionale Eigenschaftsprofile von kleinsten Strukturen in einer Auflösung bis zu 200 Nanometer abzubilden. Diese Einblicke vermitteln uns ein besseres Verständnis über das Verhalten neuartiger Materialien, um deren Eigenschaften im Detail zu charakterisieren“, erläutert Meinert Lewerenz, Wissenschaftlicher Mitarbeiter bei NEXT ENERGY.
Bei der Materialanalyse kommt der komplette Charakterisierungspark von NEXT ENERGY zum Einsatz. So wird in Post-Mortem-Untersuchungen analysiert, warum eine Batterie oder Brennstoffzelle das Ende ihrer Lebensdauer früher als prognostiziert erreicht hat. „Auf Basis dieser Ergebnisse lassen sich neue Design- und Betriebsführungskonzepte für langlebigere Zellen entwickeln“, sagt Dr. Eva-Maria Hammer, Themenfeldleiterin Batterieentwicklung bei NEXT ENERGY. „So setzen wir zum Beispiel neuartige Bindermaterialien in Li-Ionen-Elektroden ein, um deren Kapazität und Leistungsfähigkeit zu erhöhen.“ Mögliche Einflüsse auf die Lebensdauer haben die NEXT ENERGY-Wissenschaftler dabei genau im Blick. Für ein besseres Verständnis der Alterungsprozesse auf molekularer Ebene werden chemische und physikalische Analysemethoden genutzt, die auch der Messung von Effizienz und Leistungsfähigkeit neuer Materialien und Herstellungsverfahren in automatisierten Prüfständen dienen.
Durch die thematische Nähe seiner beiden Forschungsbereiche Energiespeicher und Brennstoffzellen nutzt NEXT ENERGY Synergieeffekte, die zum Beispiel zur beschleunigten Entwicklung neuartiger Speichersysteme beiträgt. „Die Einbindung unterschiedlicher Technologien und Erfahrungshorizonte bringt uns und unseren Industriepartnern einen Wettbewerbsvorteil. Eine entsprechende Kooperation erleben wir derzeit am Institut in der Erprobung von Redox-Flow-Luft-Systemen, in denen wir die Kathode der Brennstoffzelle und die Anode von Flow-Systemen kombinieren“, berichtet Dr. Eva-Maria Hammer. Vorrangiges Ziel der Untersuchungen sei eine signifikante Erhöhung der Energiedichte, betont sie, und fügt ein Beispiel für die praktische Anwendung an: „Bei entsprechender Marktreife könnten die Systeme künftig zum Beispiel als stationäre Hausspeicher eingesetzt werden.“
Wie wirtschaftlich eine Batterie oder eine Brennstoffzelle letztlich eingesetzt werden kann, hängt maßgeblich von der richtigen Vorhersage ihrer Lebensdauer ab. „NEXT ENERGY steht bei der Untersuchung von Alterungsmechanismen mit der Impedanz-Spektroskopie bis zur Untersuchung in der realen Anwendung als Mikro-KWK System für interdisziplinäre Kompetenz. Unsere Wissenschaftler haben ein tiefgehendes Verständnis der Alterungseffekte durch thermische Degradation entwickelt und können diese entsprechend interpretieren“, sagt Dr. Alexander Dyck, Bereichsleiter Brennstoffzellen bei NEXT ENERGY. Damit bietet sich das Forschungszentrum für eine marktbegleitende Kompetenz und Evaluierung an, in der auch die Zweitverwertung von Batteriesystemen – das so genannte Second Use – oder die Integration in den Recyclingkreislauf berücksichtigt wird.
Maßgeblichen Einfluss auf die Effizienz von Brennstoffzellen und Batteriesystemen haben zum Beispiel das Material und die Architektur der Elektroden. Um diese zu analysieren, blicken die Forscher themen- und bereichsübergreifend bis in kleinste Strukturen hinein: „Mit unserem institutseigenen Nano-Computertomographen sind wir in der Lage, dreidimensionale Eigenschaftsprofile von kleinsten Strukturen in einer Auflösung bis zu 200 Nanometer abzubilden. Diese Einblicke vermitteln uns ein besseres Verständnis über das Verhalten neuartiger Materialien, um deren Eigenschaften im Detail zu charakterisieren“, erläutert Meinert Lewerenz, Wissenschaftlicher Mitarbeiter bei NEXT ENERGY.
Bei der Materialanalyse kommt der komplette Charakterisierungspark von NEXT ENERGY zum Einsatz. So wird in Post-Mortem-Untersuchungen analysiert, warum eine Batterie oder Brennstoffzelle das Ende ihrer Lebensdauer früher als prognostiziert erreicht hat. „Auf Basis dieser Ergebnisse lassen sich neue Design- und Betriebsführungskonzepte für langlebigere Zellen entwickeln“, sagt Dr. Eva-Maria Hammer, Themenfeldleiterin Batterieentwicklung bei NEXT ENERGY. „So setzen wir zum Beispiel neuartige Bindermaterialien in Li-Ionen-Elektroden ein, um deren Kapazität und Leistungsfähigkeit zu erhöhen.“ Mögliche Einflüsse auf die Lebensdauer haben die NEXT ENERGY-Wissenschaftler dabei genau im Blick. Für ein besseres Verständnis der Alterungsprozesse auf molekularer Ebene werden chemische und physikalische Analysemethoden genutzt, die auch der Messung von Effizienz und Leistungsfähigkeit neuer Materialien und Herstellungsverfahren in automatisierten Prüfständen dienen.
Durch die thematische Nähe seiner beiden Forschungsbereiche Energiespeicher und Brennstoffzellen nutzt NEXT ENERGY Synergieeffekte, die zum Beispiel zur beschleunigten Entwicklung neuartiger Speichersysteme beiträgt. „Die Einbindung unterschiedlicher Technologien und Erfahrungshorizonte bringt uns und unseren Industriepartnern einen Wettbewerbsvorteil. Eine entsprechende Kooperation erleben wir derzeit am Institut in der Erprobung von Redox-Flow-Luft-Systemen, in denen wir die Kathode der Brennstoffzelle und die Anode von Flow-Systemen kombinieren“, berichtet Dr. Eva-Maria Hammer. Vorrangiges Ziel der Untersuchungen sei eine signifikante Erhöhung der Energiedichte, betont sie, und fügt ein Beispiel für die praktische Anwendung an: „Bei entsprechender Marktreife könnten die Systeme künftig zum Beispiel als stationäre Hausspeicher eingesetzt werden.“
Wie wirtschaftlich eine Batterie oder eine Brennstoffzelle letztlich eingesetzt werden kann, hängt maßgeblich von der richtigen Vorhersage ihrer Lebensdauer ab. „NEXT ENERGY steht bei der Untersuchung von Alterungsmechanismen mit der Impedanz-Spektroskopie bis zur Untersuchung in der realen Anwendung als Mikro-KWK System für interdisziplinäre Kompetenz. Unsere Wissenschaftler haben ein tiefgehendes Verständnis der Alterungseffekte durch thermische Degradation entwickelt und können diese entsprechend interpretieren“, sagt Dr. Alexander Dyck, Bereichsleiter Brennstoffzellen bei NEXT ENERGY. Damit bietet sich das Forschungszentrum für eine marktbegleitende Kompetenz und Evaluierung an, in der auch die Zweitverwertung von Batteriesystemen – das so genannte Second Use – oder die Integration in den Recyclingkreislauf berücksichtigt wird.
