Materialforschung für Brennstoffzellen und Batterien


Die Computertomographie ermöglicht Wissenschaftlern, unterschiedlichste räumliche Informationen, zum Beispiel über den Aufbau und das Verhalten Lithium-Ionen-Batterien zu erhalten. (Bild: Next Energy)

Die Computertomographie ermöglicht Wissenschaftlern, unterschiedlichste räumliche Informationen zu erhalten, zum Beispiel über den Aufbau und das Verhalten Lithium-Ionen-Batterien. (Bild: EWE)

Die „Energiewende“ steht als Synonym für eine innovative und umwelt­verträgliche Ener­gie­ver­sorgung. Damit sie realisierbar wird, müssen zahlreiche Technologien weiterentwickelt und optimal aufeinander abgestimmt werden. Als Kernelemente für neue Mobilitäts­konzepte oder für ein zukunfts­orientiertes Gebäude-Energie­management kristal­lisieren sich zunehmend Brenn­stoff­zellen und elektrische Energiespeicher heraus. Entsprechend stellt das EWE-Forschungs­zentrum Next Energy Konzepte und Ergebnisse aus diesen beiden Forschungsbereichen in den Mittelpunkt seiner Präsentation auf der diesjährigen Hannover Messe. Anzutreffen sind die Olden­burger Energie­forscher vom 7. bis 11. April 2014 in Halle 27 an Stand D55 auf dem Gemein­schafts­stand „Group Exhibit Hydrogen + Fuel Cells + Batteries“.

Gleich mehrere Themen­felder befassen sich bei Next Energy mit intelligenten Lösungen für integrierte Energie­systeme. Diese bereichs­übergreifende Ausrichtung ermöglicht einen ganz­heitlichen Forschungs­ansatz unter einem Institutsdach: „Bislang hieß es meist ‚Batterie oder Brennstoff­zelle‘. Heute gilt für die meisten Applik­ationen: ‚Batterie und Brenn­stoff­zelle‘“, betont Dr. Alexander Dyck, Bereichs­leiter Brennstoff­zellen bei Next Energy. Anstatt sich auszuschließen, sei es das fachliche und technische Synergie­potenzial, das es zum Beispiel in der Material­forschung zu nutzen gilt. „Vor allem die drei Kern-Bestand­teile sind die gleichen: Anode, Kathode und Elektrolyt. Trotz großer Unter­schiede im Detail haben die porösen Materialien ähnliche Struktur-Eigenschafts­beziehungen und weisen ganz ähnliche Anforderungs­profile innerhalb von Systemen für verschiedene Anwendungen auf“, erklärt Dyck und nennt als Beispiel das Automobil mit einer Lebensdauer von mehr als zehn Jahren und 5.000 Betriebs­stunden. „Dazu muss die Sicherheit in Systemen mit technischem Sach­verstand gewähr­leistet werden.“

Beispiel für eine zerstörungsfreie Untersuchung: Per Innenansicht lässt sich der Zustand der Sicherheitsmechanismen einer kommerziellen 18650-Zelle analysieren. (Bild: EWE)

Beispiel für eine zerstörungs­freie Unter­suchung: Per Innen­ansicht lässt sich der Zustand der Sicher­heits­mecha­nismen einer kommer­ziellen 18650-Zelle analy­sieren. (Bild: EWE)

Um eine Technologie optimal an die jeweilige Anwendung anzupassen, setzt das EWE-Forschungs­zentrum Next Energy im Bereich der Material­forschung hochauf­lösende Mikro- und Nano-Computer­tomographen (CT) ein. In Kombination mit der Raster­elektronen- und Raster­kraft­mikroskopie lassen sich somit ganz­heitliche optische Unter­suchungen durch­führen. „Diese umfassende Analyse komplexer Strukturen ist erfor­derlich, weil zum Beispiel die Leistungs­fähigkeit und die Lang­lebigkeit elektro­chemischer Speicher durch die Eigen­schaften feinster Strukturen bis in den Nanometer­bereich hinein beeinflusst werden“, erläutert Dr. Wedigo von Wedel, Bereichs­leiter Energie­speicher bei Next Energy. „Mikro- und Nano-CT ermöglichen es uns, quali­tative und quantitative räumliche Informa­tionen über den Aufbau und das Verhalten von Membranen, Gasdiffusions­lagen oder Materialien für Energie­speicher und -wandler zu ermitteln und zu bewerten“.

Ausstattung und mehrjährige Expertise erlauben in den Next-Energy-Laboren CT-Aufnahmen mit Auflösungen von 25 Mikrometern bis 150 Nanometern pro Pixel. Damit wird es möglich, dreidimen­sionale Ansichten und Animationen zum Beispiel von Partikel­verbünden oder Poren­netzwerken aus dem Innen­leben von Batterien und Brennstoff­zellen zu generieren. Auf der Hannover Messe zeigen die Oldenburger Energieforscher erstmals das 3D-Modell einer Membran-Elektroden-Einheit (MEA), um beispielhaft die Schicht­strukturen in begreifbarer Größe zu veranschaulichen. Das Exponat bildet Faser­verbünde und Poren in der Dimension um zwei Mikrometer als daumen­dicke Geflechte ab und vermittelt somit ein besseres Verständnis vom Transport und den Kontakt­flächen innerhalb der Schicht­verbünde. (Quelle: EWE)

Link: EWE-Forschungszentrum für Energietechnologie e. V. Next Energy

 

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