TEIL C

ENERGIESPEICHERN

Die verschiedenen Batterie- und Akkumulatorentypen (III)

Dünnschicht-Batterie

Diese Batterien sind eigentlich den Lithium-Ionen-Batterien zuzuordnen und von dort aus auch hierher verlinkt. Aufgrund ihrer Aktualität möchte ich aber vermeiden, daß sie in der dortigen Überfülle untergehen, und liste sie deshalb hier separat auf. Außerdem werden hierbei Technologien beschrieben, die sich z.B. auch bei Nickel-Metallhydrid-Akkus einsetzen lassen, welche ebenfalls eigenständig präsentiert werden.

Die ersten Dünnschichtbatterien sind in den späten 1990er Jahren in den Oak Ridge National Laboratories (ORNL) entwickelt worden. Ein wichtiger Vorteil der relativ neuen Technologie, die auch unter dem Namen Mikroenergiezelle (MEC) bekannt wird, ist ihre Festkörperform, die einen sicheren und umweltfreundlichen Betrieb gewährleistet, da keine Elektrolyte aus der Zelle austreten und andere Bauteile auf der Leiterplatte angreifen können, was für eine außerordentlich lange Lebenszeit von oft mehr als 20.000 Ladezyklen sorgt. Die Gestehungskosten der MECs sind allerdings höher als bei konventionellen Energiespeichern.

Die ORNL vergeben Lizenzen für die grundlegende Technologie der Festkörper-MECs an mehrere Hersteller (s.u.), von denen die meisten Lithium-Kobaltoxid (LiCoO₂) für die Kathode und Lithium oder ein anderes Metall als Anode verwenden. Als Festkörper-Elektrolyt wird häufig Lithium-Phosphor-Oxidnitrid (LiPON) genutzt.

Basierend auf einer Lizenz der ORNL präsentiert die Firma Front Edge Technology Inc. (FET) aus Baldwin, Kalifornien, im Mai 2005 die bislang weltweit dünnste Batterie mit einer Dicke von 0,05 mm.

Die Folienbatterie hält mehr als 1.000 Ladezyklen durch, wobei eine Fläche von 42 x 25 mm beachtliche 0,5 mAh erreicht werden. Die Batterie kann in 2 Minuten auf 70 % der Nennkapazität aufgeladen werden, und die Selbstentladung beträgt weniger als 5 % pro Jahr (andere Quellen: < 15 %). Sensationell ist auch die starke Biegsamkeit in Verbindung mit dieser recht hohen Kapazität. Da die Batterien nicht giftig sind, bieten sie ein erhebliches Potential für die Integration in implantierbare medizinische Geräte wie Insulinpumpen und Herzschrittmacher. Ebenso macht sie die geringe Dicke ideal in Bereichen wie RFID (Radio Frequency Identification Tags) und Chipkarten.

Das 1994 gegründete Familienunternehmen FET läßt sich die Verwendung von Glimmer (Muskovit, ein Schichtsilikat) für die Herstellung von Batterien patentieren, die dünner als ein Blatt Papier sind und ihre Flexibilität, verbesserte Leistungsdichte und verkürzte Wiederaufladezeit einer nanoskaligen Technik verdanken. Nun wird an der Entwicklung einer Produktionslinie zur Herstellung von 200.000 NanoEnergy-Batterien pro Jahr gearbeitet, sowie mit der STMicroelectronics ein Handelsabkommen geschlossen, um neue Märkte für diese Technologie zu erschließen.

Im Rahmen einer SAFECELL-Linie sollen zwei Batteriegrößen angeboten werden: 20 x 25 mm, mit einer Dicke von 0,1 mm (Kapazität 0,1 mAh) bis 0,3 mm (Kapazität von 1 mAh) – sowie 42 x 25 mm, mit einer Dicke von 0,1 mm (Kapazität 0,5 mAh) bis 0,4 mm (Kapazität von 5 mAh).

Im Mai 2009 wird gemeldet, saß FET tatsächlich seit drei Jahren Batterien in begrenzter Stückzahl produziert, bei denen ein keramischer Festkörper-Elektrolyten aus Lithiumphosphor Oxynitrid (LiPON) zum Einsatz kommt, der von den Oak Ridge National Laboratories entwickelt wurde und dem Akku nicht nur seine Flexibilität gibt, sondern auch die Speicherkapazität erhöht. Überraschenderweise sind diese Informationen zwar alle noch am Netz – ohne daß es jedoch irgendwo eine aktuellere Erwähnung oder Meldung über weitere Schritte gäbe. Selbst der Stand auf der Homepage der FET scheint seit damals eingefroren.

Ein weiteres Mikroenergiezellen-Unternehmen, das mit einer ORNL-Lizenz arbeitet, ist die 2001 gegründete Firma Infinite Power Solutions Inc. (IPS) mit Stammsitz in Littleton, Colorado, die im Oktober 2008 eine Dünnschichtbatterie mit dem treffenden Namen Thinergy MEC (Micro-Energy Cell) auf den Markt bringt, welche geeignet ist, die Leistungslücke zwischen Batterien und Superkondensatoren zu überbrücken.

Bereits 2003 konnte IPS Startkapital in Höhe von 5 Mio. $ von Dow Corning und UniSource Energy in Empfang nehmen, und im August 2006 bringt eine Finanzierungsrunde A dem Unternehmen weitere 35,7 Mio. $ von Invesoren wie Core Capital Partners, Applied Ventures LLC, Polaris Venture Partners, SpringWorks LLC, D.E. Shaw, Advanced Energy Technology, Dow Corning und Symmorphix Inc. Damit kann das Unternehmen die in einer Vorstadt von Denver, Colorado, die weltweit erste Großserien-Produktionsstätte für Dünnschicht-MECs hochziehen.

Ebenfalls im Oktober 2008 schließt IPS ein strategisches Kooperationsabkommen mit Lockheed Martin ab, um die neue Mikroenergiezelle in Systemen und Lösungen einzusetzen, die von Lockheed Martin für militärische und zivile Anwendungen entwickelt werden. Im Dezember beginnt IPS mit der Auslieferung ihrer ersten Produkte. Außerdem gibt das Unternehmen bekannt, daß es sein Kapital in einer neuen Finanzierungsrunde B um weitere 13 Mio. $ anheben konnte. Neben den bisherigen Finanzpartnern Polaris und D.E. Shaw gehören zu den neuen Geldgebern die In-Q-Tel (der Venture-Arm der CIA) sowie ein ungenannter strategischer Investor.

Die Thinergy MEC Dünnschicht-Batterien können im Temperaturbereich von - 40ºC bis + 85ºC betrieben werden und weisen eine extrem geringe Selbstentladungsrate von weniger als 1 % pro Jahr auf, einen geringen Zellwiderstand und eine hohe Leistung. Zum Laden werden nur 4,1 V benötigt, bei ein paar hundert Nanoampere Strom. Abhängig von dem Ladestrom kann eine MEC in ein paar Sekunden oder im Verlauf von 10 Minuten aufgeladen werden.

Die MECs werden hauptsächlich für kleine Kameras, Temperatursensoren und andere Geräte entwickelt, die nicht an das Stromnetz angeschlossen sind, ihren Strom aber selbst ernten können – aus dem Sonnenlicht, aus Vibrationen, Unterschieden in der Umgebungstemperatur, Radiowellen u.ä.m. (siehe dazu Micro Energy Harvesting). IPS zufolge lassen sich die Akkus mehr als 60.000 mal aufladen und stellen die gegenwärtig leistungsstärksten Batterien ihrer Größe dar, da sie die Energiedichte traditioneller Batterien mit dem hohen Entladestrom von Superkondensatoren kombinieren. Angeboten werden zu diesem Zeitpunkt zwei Modelle der Thinergy MEC Dünnschicht-Batterien: MEC120 (25,4 x 12,7 mm / 0,17 mm dick / 0,4 mAh) sowie MEC101 (25,4 x 25,4 mm / 0,17 mm dick / 1,0 mAh). Zwei weitere Modelle sollen dann ab dem vierten Quartal 2009 verfügbar sein: MEC125 (12,7 x 12,7 mm / 0,17 mm dick / 0,2 mAh) und MEC102 (25,4 x 50,8 mm / 0,17 mm dick / 2,5 mAh).

Im August 2010 meldet das Unternehmen, in einer weiteren Finanzierungsrunde C von den bisherigen sowie neuen Investoren 20 Mio. $ bekommen zu haben. Unter den erstmaligen Finanziers sind die Generation Investment Management und zwei weitere, ungenannte strategische Investoren. Das neue Kapital soll genutzt werden um die Produktionskapazität zu erweitern, den Aufbau von globalen Vertriebskanälen zu beschleunigen und die weitere Forschung und Entwicklung zu finanzieren.

Leider ist auch die Homepage dieses Unternehmens äußerst zurückhaltend – vorsichtig ausgedrückt –, und seit 2010 scheint auch kein Update mehr erfolgt zu sein.

Die dritte Firma, deren Arbeit auf einer ORNL-Lizenz basiert, ist die im Jahr 2007 als Ausgründung des National Renewable Energy Laboratory (NREL) von M. Scott Faris geschaffene Planar Energy Devices Corp. in Orlando, Florida. Im Gegensatz zu den beiden vorstehenden Unternehmen hat Planar aber auch die exklusive Lizenz, eine am NREL entwickelte Technologie zu verwenden, für die der Begriff ‚vergrabene Anode’ geprägt wurde, und die in erster Linie dazu dient, die Herstellungs- und Verpackungsverfahren von Festkörper-Dünnschicht-Batterien zu verbessern. Roland Pitts, ein leitender Forscher, der beim NREL an dieser Technologie arbeitete, steigt bei Planar ein, um die beiden Technologien miteinander zu vernetzen. Gearbeitet wird nun an Dünnschicht- und Großformat-Batterien, die der Firma zufolge in Sekunden aufgeladen werden können, eine hohe Energiedichte haben, 400 bis 500 Lebenszyklen erreichen und auch sicherer sind als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien.

Die Firma erhält einen 50.000 $ Zuschuß des Florida High Tech Corridor Council für ein gemeinsames Forschungsprojekt mit der University of Central Florida. Battelle Ventures und Innovation Valley Partners investieren in der Finanzierungsrunde A 1,3 Mio. $ in die Dünnschicht-Batterie-Technologie des Unternehmens – sowie weitere 2,7 Mio. $, sobald Planar bestimmte Meilensteine erreicht. Die Firma plant ein Standard-Herstellungsverfahren zu nutzen, um die Kosten niedrig zu halten und schnell hohe Ausstoßmengen zu erreichen. Angedacht sind drei Arten von Anwendungen: PowerPlane, eine Mikro-Batterie-Anwendung, PowerCore, die mittlerer Größe ist, und PowerBlade, eine große Batterie-Anwendungen. Das Unternehmen hofft, daß seine ersten Produkte – militärische Anwendungen und Smart-Card-Technologie – schon Jahr 2009 Umsatz bringen und ab 2010 in Serienproduktion gehen können.

Im Jahr 2008 stellt Planar eine neue Beschichtungstechnologie namens SPEED vor (Streaming Protocol for Electroless Electrochemical Deposition), ein Hochgeschwindigkeits-, Roll-to-Roll-Abscheidungsverfahren für großformatige Hochleistungs-Keramik-Batterien. Entwickelt wurde dieses von Dr. Isaiah Oladeji, einem Halbleitermaterialforscher, der früher bei den Bell Labs war, und jetzt leitender Wissenschaftler der Planar ist. Die wesentlich flexiblere und besser skalierbare Technologie als die bisherigen Methoden erlaubt es, selbstorganisierte, nanostrukturierte Elektrolyt- und Elektrodenmaterialien mit überlegenen chemischen Eigenschaften zu machen und Produktionsbarrieren bei der Herstellung von Low-Cost-Festkörperbatterien zu überwinden. Mit dem SPEED-Verfahren werden die Festkörperelektrolyt-Materialien als dünne Filme direkt auf die aktiven Schichten der Batterie aufgebracht. Diese direkte Filmabscheidung ermöglicht es, ganze Stapel von Filmen übereinander zu schichten. Damit entfällt die bisherige, aufwendige Methode, die Filme auf verschiedenen Substraten abzuscheiden und diese dann mechanisch miteinander zu verbinden, ebenso wie die Notwendigkeit einer kostspieligen und zeitraubenden Vakuumabscheidung, wie sie bei anorganischen Filmen üblicherweise erforderlich ist.

Im Oktober 2008 legt Faris die nächsten (großen) Schritte fest: Im ersten Quartal 2009 soll eine Finanzierungsrunde B 12 Mio. $ einbringen, weitere rund 20 Mio. $ dann in einer Runde C im vierten Quartal 2010.

Im Mai 2009 beteiligt sich Planar mit einer Finanzierungsanfrage nach 56 Mio. $ in Form von Zuschüssen an dem großen Run auf die 2 Mrd. $ des neuen Konjunkturpakets des US-Energieministeriums für die Hersteller von Batterien für Plug-in-Fahrzeuge. Insgesamt will das Unternehmen 120 Mio. $ investieren, um die Fertigung in seiner Gainesville-Anlage hochzufahren und ein Zentrum für die Entwicklung von Festkörper-Batterien für sowohl Hybrid- und Plug-in-Fahrzeuge als auch für militärische Anwendungen zu gründen. Aus diesen hochfliegenden Plänen wird zwar nichts, dafür darf sich Planar im Juli über einen R&D 100 Award freuen, der dem Unternehmen für seine ‚Thin-Film Lithium Rechargeable Microbattery’ verliehen wird.

Forscher der University of Central Florida bestätigen im März 2010, daß die neue Generation von Festkörper-Elektrolyten des Unternehmens eine ionische Leitfähigkeit aufweisen, die vergleichbar ist mit der von flüssigen Elektrolyten in traditionellen chemischen Batterien. Planar zufolge soll dies den Herstellern von Feststoffbatterien ermöglichen, ihre Produktionskapazitäten um 200 – 300 % ansteigen zu lassen, und dies bei einer gleichzeitigen Kostenreduzierung um 50 – 75 %. Im April erhält das Unternehmen eine Förderung in Höhe von (seltsam krummen) 4.025.373 $ als Teil der ARPA-E-Initiative des US-Energieministeriums, um transformative Energieforschungsprojekte zu beschleunigen. Im Juli wird der Produktionsbeginn in kleinen Mengen für 2011 versprochen, wobei die ersten Batterien auf einer Lithium-Mangan-Chemie basieren sollen.

Doch auch diese Firma hat seit 2010 nicht Neues mehr gemeldet ... man könnte dahinter bald eine Verschwörung vermuten.

Werfen wird daher lieber den Blick auf die vierte Firma, die sich eine ORNL-Lizenz besorgt hat (und trotzdem noch am Leben ist). Dabei handelt es sich um die im Jahr 2000 gegründete und in Privatbesitz befindliche Cymbet Corp. mit Stammsitz in Elk River, Minnesota, und Herstellungsanlagen in Elk River und Lubbock, Texas. Die Investoren der ersten Finanzierungsrunde A in Höhe von 4,5 Mio. $ sind Island Shore Investments, Texas Instruments, Perseus LLC, Ignite Group, Cedar Point Capital, The Millennium Materials Technologies Funds und die Helmet Business Mentors Oy (Helmet Capital).

Meldungen aus den ersten Jahren scheint es nicht zu geben, und erst im Dezember 2004 wird in der Fachpresse berichtet, daß Cymbet erfolgreich eine Finanzierungsrunde B abgeschlossen und dabei für die Weiterentwicklung und Vermarktung ihrer Dünnschicht-Festkörper-Energiespeicher 16,5 Mio. $ eingenommen hat. Angeführt von der Ignite Group und Bekaert N.V. können als neue Investoren Dow Venture Capital, Intel Capital und Miller Johnson Steichen Kinnard (MJSK) gewonnen werden. Auch danach ist lange Zeit nicht Neues zu vernehmen, doch nachdem die Firma im September 2007 ihre Batterie-Fertigungslinie starten und bereits im Dezember die kommerzielle Verfügbarkeit ihrer Familie von Solid-State-Dünnschicht-Batterien unter dem Label EnerChip bekannt geben kann, deren ersten Produkte in Kapazitäten von 12, 50 und 85 µAh verfügbar sind, scheint sie auch jemanden für die Pressearbeit eingestellt zu haben. Nun erfährt man, daß die als oberflächenmontierte Bauelemente gestalteten neuen Batterien eine schnelle Ladezeit bieten (80 % in weniger als 30 Minuten), mehr als 5.000 Lade/Entlade-Zyklen überstehen sollen, und nicht an Selbstentladungs- oder Haltbarkeits-Einschränkungen leiden, wie Superkondensatoren bzw. chemische Batterien. Die Produktion erfolgt gemäß einem zum Patent angemeldeten Niedrigtemperatur-Herstellungsprozeß (POWER-FAB).

Im Oktober 2008 gibt Cymbet die Einführung von EnerChip-Dünnschicht-Batterien mit integriertem Batteriemanagement bekannt, und im November erhält die Firma den Tekne Award for Advanced Manufacturing.

Die Texas Instruments Inc. stellt im Januar 2009 eine alternative Energiequelle in Kreditkartenformat für drahtlose Netzwerksysteme vor, die unter dem Namen Solar Energy Harvesting (SEH) Development Kit das Umgebungslicht nutzt und neben einem Mikrocontroller, einem Transceiver und einem Entwicklungstool auch eine EnerChip-Dünnschicht-Batterie von Cymbet enthält. Ein weiteres Modell versorgt sich mit Energie aus eingefangenen Radiowellen. Im März wird eine Kooperation mit Konarka Technologies gestartet, um die Kompetenzen in den Bereichen Erfassung, Umwandlung und Speicherung von Solarenergie zu bündeln, und im Mai wird mit dem Elektronikbauteile-Distributor Digi-Key Corp. eine Vertriebsvereinbarung für die weltweite Verbreitung der EnerChips getroffen. Eine gleichlautende Vereinbarung folgt im Juni mit der Firma Mouser Electronics Inc. (?). Im gleichen Monat stellt das Unternehmen auf der Sensors Expo 2009 in Chicago acht verschiedene EnerChip-Funksensor-Konfigurationen vor, die aus den unterschiedlichsten Quellen Energie aufnehmen können: Vibration und mechanische Energie (basierend auf einem piezoelektrischen Wandler), HF-Induktionsfelder, Radiowellen, Wärme (basierend auf einem thermoelektrischen Generator), Wind und Solarenergie (basierend auf verschiedenen Solarzellentypen). Deshalb sei hier noch einmal auf das Kapitel Micro Energy Harvesting verwiesen, in dem alle diese Techniken ausführlich behandelt werden.

Im Januar 2010 gibt es wieder einmal Geld. Diesmal kommen in einer Finanzierungsrunde C sogar 31 Mio. $ zusammen, angeführt von Perseus L.L.C. und Intel Capital. Neben den bisherigen Investoren ist Texas Instruments neu mit dabei. Im Juni kommt ein weiteres EnerChip-Modell auf den Markt, und im Dezember wird eine Vereinbarung mit der X-FAB Texas Inc. bekanntgegeben, der zufolge zur Erweiterung der Fertigungskapazitäten in Lubbock, Texas, eine Produktionsstätte für Solid-State-Batterien (SSB) eröffnet werden soll, welche die weltweit höchste Produktionskapazität haben wird. Die neue Cymbet-Anlage soll innerhalb des X-FAB-Werkes integriert werden.

Im Jahr 2011 wird nur im Juni eine paneuropäische Vertriebsvereinbarung mit der deutschen Firma Avnet Abacus bekanntgegeben, während eine ähnliche Abmachung im Januar 2012 mit der Avnet Electronics Marketing Asia für den asiatischen Markt getroffen wird. Im Mai folgt eine Kooperation mit der Firma Micross Components, im Juni mit der Global Electronics Corp., und im Oktober kann Cymbet den Produktionsstart der neuen Fertigungsanlage in Lubbock bekanntgeben. Irgendwelche Quantitäten oder sonstigen Zahlen werden nicht genannt.

Weitere 20 Mio. $ Investitionsmittel erhält Cymbet im April 2013 von Insel Shore Investments, und im Mai veröffentlicht das Unternehmen die Ergebnisse einer Studie, welche die Biokompatibilität der EnerChips belegt. Entsprechende Testmethoden hatten schon im Juli des Vorjahres eine 100 %-ige Nicht-Zytotoxizität nachgewiesen. Ab Juli werden dann mehrere Vertriebsverträge mit verschiedenen Unternehmen für einzelne US-Bundesstaaten sowie weitere für zusätzliche Umsatzgebiete im asiatischen Raum abgeschlossen, so daß die Produkte ab Dezember nun auch auf dem chinesischen Markt erhältlich sind. In diesem Monat wird mit der deutschen Firma Atlantik Elektronik GmbH ein Distributionsvertrag für den europäischen und türkischen Markt abgeschlossen. Cymbet ist damit eindeutig der Branchenführer im Bereich der Dünnschicht-Batterietechnologie.

Neben den industriellen Anbietern befassen sich insbesondere verschiedene Universitäten damit, dreidimensionale Dünnfilme zu entwickeln. Ein Team um Prof. Paul V. Braun an der University of Illinois berichtet im März 2011 von der Entwicklung eines Nanoschwamms aus Metall, der mittels seiner riesigen inneren Oberfläche Lithium-Ionen mit beeindruckender Geschwindigkeit aufnehmen kann. Die Poren dieses Schwammes, die mit einer dünnen Lage Elektrodenmaterial überzogen werden, sind hundertmal feiner als die Breite eines menschlichen Haares.

Der Schlüssel zu der neuartigen 3D-Struktur ist die Selbstorganisation. Hergestellt wird die ‚Hochleistungs-Lithium-Ionen-Mikrobatterien aus ineinandergreifenden dreidimensionalen bikontinuierlich nanoporösen Elektroden’, wie sie von den Wissenschaftlern bezeichnet werden, indem ein Volumen als erstes mit winzigen Styroporkügelchen gefüllt wird, die sich automatisch zu einem dicht gepacktem Gitter strukturieren. Anschließend wird das Gitter per Elektrolyse mit Nickel aufgefüllt und die Kügelchen dann aufgelöst oder weggeschmolzen, so daß ein poröses, schwammartiges Nickelgerüst entsteht. Nun werden die Hohlräume durch sogenanntes Elektropolieren vergrößert und das Gitternetz abschließend mit elektrolytisch aktivem Material beschichtet.

Das Team demonstriert Batterieelektroden, die in wenigen Sekunden, und damit 10 bis 100 mal schneller als vergleichbare Elektroden, aufgeladen oder entladen werden können und sich auch bei bestehenden Batterien einsetzen lassen. Das System bietet dadurch Kondensator-ähnliche Leistungen – verbunden mit Batterie-ähnlichem Energiegehalt. Es gelingt den Forschern, im Labor einen Prototyp von der Größe einer Taschenrechnerbatterie in nur zehn Sekunden aufzuladen. Nun hofft man, mit dieser Technologie ein Handy innerhalb von 30 Sekunden, einen Laptop in zwei Minuten und die Batterie eines Elektroautos in vielleicht fünf Minuten aufladen zu können. Da der Herstellungsprozeß jedoch komplizierter ist als die gängigen Verfahren, und das Team auch noch nach der günstigsten Fertigungsmethode sucht, sind die ersten Produkte frühestens in drei Jahren zu erwarten. Gefördert wird die Arbeit vom US-Energieministerium und von der Forschungsabteilung der US-Streitkräfte.

In Deutschland wird die Entwicklung von 3D-Dünnschichtbatterien hauptsächlich von einem Team um Prof. Wolfram Jaegermann an der TU Darmstadt vorangetrieben. Die Universität kooperiert bei diesen Entwicklungen mit der Robert Bosch GmbH in Reutlingen, die bereits 2010 eine Patent unter dem Titel ,Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer Dünnschichtbatterie’ beantragt hatte (DE-Nr. 102010029282, erteilt 2011). Bei diesem Patent geht es aber noch eher traditionell zu, denn es beschreibt die Methode, eines „aus mehreren ersten Elektrodenschichten, mehreren Batterieschichten und mehreren zweiten Elektrodenschichten bestehende Dünnschichtbatterie herzustellen“.

Im November 2011 startet mit einer Laufzeit von drei Jahren ein Projekt zur Entwicklung neuer Anwendungen im Bereich der Fußgängernavigation und der Orthopädietechnik, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit rund 6 Mio. € gefördert wird. Es läuft unter dem Bandwurmnamen ‚Verbundprojekt: Autonomous Nine Degrees of Freedom Sensor Module (9D-Sense) - Teilvorhaben: MEMS-Schlüsselprozeß zur On-Chip-Integration von Sensorkomponenten sowie zur Herstellung von 3D-Dünnschichtbatterien’.

Das anvisierte Modul soll aus einem Beschleunigungs-, Drehraten- und Magnetsensor mit jeweils drei Detektionsrichtungen (daher 9 Freiheitsgrade), einer Energieversorgungseinheit mit Dünnschichtbatterie und Energieerzeuger sowie einer sicheren drahtlosen Datenübertragung bestehen. Durch Auswertung des Erdmagnetfeldes und der Bewegungsmuster soll eine präzise Positions- und Orientierungsbestimmung erfolgen, auch wenn z.B. innerhalb von Gebäuden GPS- oder Galileo-Signale nicht verfügbar sind. Bei der Entwicklung einer entsprechenden Dünnschichtbatterie arbeiten die TU Darmstadt und die Robert Bosch GmbH mit der Universität Helsinki (Finnland) und Air Liquide (Frankreich) zusammen.

Bereits auf dem Kongreß MikroSystemTechnik Ende 2011 in Darmstadt wird über die Strukturierung von Siliziumsubstraten für integrierte 3D-Dünnschichtbatterien berichtet und nachgewiesen, daß 3D-Batterien höhere Ströme als konventionelle Systeme bereit stellen können und damit zu einer Steigerung der Leistungsdichte führen. Auch die Dissertation von Laura Bohne im Jahr 2012 beschäftigt sich mit diesem Thema: ‚Integrierte 3D-Lithium-Ionen-Dünnschichtbatterien: Dünnschichtkathoden auf strukturierten Substraten und elektrochemische Eigenschaften’.

Ein weiteres Team um Prof. Guido Schmitz an der Universität Münster beschäftigt sich 2012 mit Dünnschichtbatterien, deren gesamte elektrochemisch-aktiven Komponenten mit Hilfe einer speziellen Präparationstechnik namens Ionenstrahl-Sputterverfahren in Form ultradünner Schichten hergestellt werden. Als Elektrodenmaterialien kommen dabei u.a. Al-Li Legierungen, Graphit, Li-Kobalt-Oxid oder Li-Vanadium-Oxid zum Einsatz, während für die ionenleitenden Schichten vorwiegend lithiumhaltige, anorganische Netzwerkgläser verwendet werden. Mit Hilfe einer speziellen Spektroskopiemethode wollen die Forscher die Verteilung der einzelnen chemischen Elemente innerhalb der Batteriezelle mit atomarer Auflösung analysieren, um damit die Mechanismen der Degradation an den Elektroden aufzudecken.

Durchfluß-Batterien und Ionische Flüssigkeiten

Die Duchfluß-Batterie wird von dem französische Hauptmann Charles Renard erfunden, der sich nach Beendigung des Deutsch-Französischen Krieges 1870/71 mit der Entwicklung von Luftschiffen befaßt, und der – nachdem er ein Modell präsentiert hatte – aus der Staatskasse 200.000 Franc erhält. Mit diesem Geld baut er zusammen mit seinem Bruder Paul und dem äußerst innovativen und ebenfalls französischen Hauptmann Arthur H. C. Krebs das Luftschiff La France, ein Elektroluftschiff mit Akkubetrieb, mit dessen Aufstieg am 9. August 1884 in Chalais Meudon ihm der Nachweis gelingt, daß der Bau und Betrieb eines lenkbaren Luftschiffes möglich ist.

Das Luftschiff absolviert in 23 Minuten und in einer Höhe von bis zu 300 m einen 7,6 km langen Flug, und landet dann wieder an seinem Startplatz. Damit ist dies das erste Mal, daß eine Flugmaschine an den Ort ihres Abflugs zurückkehrt – und die erste Rundfahrt auf dem Luftweg in der Geschichte. Auf insgesamt sieben Flügen zwischen 1884 und 1885 gelingt der La France fünf Mal die Rückkehr zum Startpunkt, wobei unterwegs eine Höchstgeschwindigkeit von 22,32 km/h erreicht wird. 1889 wird das Luftschiff auf der Pariser Weltausstellung präsentiert.

Für uns besonders interessant ist, daß der von einem 6,25 kW Elektromotor angetrieben Propeller des Luftschiffs von einer 435 kg schweren Flow-Batterie gespeist wird, die als reaktive Elemente Zink und Chlor verwendet. Hierfür hatte Renard eigens einen Chlor-Generator mit an Bord. Es ist kaum nachvollziehbar, wie diese Innovation anschließend fast 100 Jahre lang so in Vergessenheit geraten konnte (s.u. Zink-Chlor-Batterie).

Eine Durchflußbatterie (auch Flow-Batterie, Flüssigbatterie oder Naßzelle) ist ein wiederaufladbarer Akkumulator, der die elektrische Energie in chemischen Verbindungen speichert, deren Reaktionspartner aus geladenen Metallen in Elektrolyten aufgelöst sind. Dabei zirkulieren zwei energiespeichernde Elektrolyte in zwei getrennten Kreisläufen, während der Ionenaustausch in der Zelle mittels einer Membran erfolgt, die sich zwischen den beiden Kreisläufen befindet. Kurz gesagt, wird also eine Lösung durch eine Membran gepumpt, um chemische Energie in Strom umzuwandeln – weshalb dieser Batterietyp auch oftmals den Brennstoffzellen zugerechnet wird.

Der in meinen Augen interessanteste Aspekt von Durchflußbatterien ist, daß sie durch den Austausch der Elektrolyt-Flüssigkeit sehr schnell wieder ‚aufgeladen’ werden können, und dies bei gleichzeitiger Rückgewinnung des verbrauchten Materials zum externen Laden. Man kann sich daher gut vorstellen, daß ein solcher Austausch, bei dem neu aufgeladene Elektrolytflüssigkeit in die Batterie hineingepumpt wird, nicht länger dauern muß als das Betanken heutiger Kraftfahrzeuge mit konventionellen Brennstoffen.

Zu den bekanntesten Flüssigbatterien zählen die Redox-Flußbatterie (o. Redox-Flow-Zelle), sowie die Vanadium-Redox-Batterie, die beide in eigenen Unterkapiteln behandelt werden. Ebenfalls in einem eigenen Unterkapitel präsentiert wird die Magnesium-Antimon-Flüssigmetallbatterie, bei der allerdings keine Membran zum Einsatz kommt, dafür aber eine Betriebstemperatur von 700°C, bei welcher die Metalle als Schmelzen vorliegen (s.u.).

Dieser Rubrik zuordnen läßt sich auch das Forschungsgebiet der Ionischen Flüssigkeiten, für welches beispielsweise Stefano Passerini von der Universität Münster Ende 2009 im Rahmen des EU-weiten Forschungsprojekts ORION (Geordnete anorganisch-organische Hybridstrukturen mit Ionischen Flüssigkeiten für neue Anwendungen) eine über drei Jahre laufende Förderung der Europäischen Kommission in Höhe von 600.000 € erhält.

Bei ionischen Flüssigkeiten (Ionic Liquids, häufig auch als Room Temperature Ionic Liquids RTIL bezeichnet) handelt es sich um flüssige Salze, die bei Temperaturen unter 100°C flüssig sind, ohne daß das Salz dabei in einem Lösungsmittel wie Wasser gelöst ist. Wegen ihrer vielversprechenden Eigenschaften, wie fast kein Dampfdruck, Nichtbrennbarkeit und das Fehlen der Reaktivität bei verschiedenen elektrochemischen oder industriellen Anwendungen, werden diese Substanzen zunehmend interessant für ihre Anwendung in Hochenergie-Batterien und in Hochleistungs-Kondensatoren. Diese Flüssigkeiten besitzen nämlich das Potential, anorganische Partikel auch in organischer Umgebung zu ordnen. Dies ist deshalb von großer Bedeutung, weil in Batteriesystemen mehr Ordnung auch mehr Leistung verspricht.

Passerini erwartet, daß die Ergebnisse des multidisziplinären und europaweiten Forschungsprojektes auch Einfluß auf die Weiterentwicklung von Solarzellen haben wird, beispielsweise bei ihrem Einsatz als Elektrolyt in Farbstoffsolarzellen.

Ebenfalls Ende 2009 wählt das Department of Energy (DOE) im Zuge von ARPA-E insgesamt 37 Energieforschungsprojekte aus, die zusammen mit 151 Mio. $ gefördert werden, darunter auch 6 Projekte im Bereich der Energiespeicherung. An der Entwicklung von nachhaltigen, hochenergiedichten, elektrochemischen Low-Cost Energiespeichern arbeitet insbesondere die Arizona State University in Partnerschaft mit der Firma Fluidic Energy Inc. Als Ziel sollen neue Metall-Luft-Batterien mit ionischen Flüssigkeiten (Metal-Air Ionic Liquid, MAIL) eine 6 - 20 mal höhere Energiedichte erreichen, als die derzeit verfügbaren Li-Io-Batterien, und dies bei weniger als 1/3 der Kosten. Das Kooperationsprojekt wird mit gut 5 Mio. $ gefördert. Mehr dazu unter Zink-Luft-Batterie (s.d.).

Im April 2011 berichtet die Fachpressen darüber, daß Wissenschaftler des US Naval Research Laboratory (NRL) um Thomas Sutto der Nachweis eines effektiven neuen Weges zur Entwicklung neuartiger und leichter Energiespeicher unter Verwendung von nicht-flüchtigen, thermisch stabilen ionischen Flüssigkeiten gelungen sei. An Stelle von sauren Elektrolyten sollen nun ionische Flüssigkeiten verwendet werden, um aus einer ionischen Flüssigkeit und Polyvinylalkohol einen Festpolymerelektrolyt zu schaffen, der die Entwicklung neuer Arten von Festkörperbatterien mit Entladungsspannungen von bis zu 1,8 V erlaubt. Die Fähigkeit, feste Separatoren herzustellen, ermöglicht die Schaffung vieler neuer Batterie-Typen sowie die Anwendung einer Vielzahl unterschiedlicher Herstellungstechniken. Die ionische Flüssigkeit, auf die am NRL das Hauptaugenmerk gerichtet wird, ist 1-Ethyl-3-Methylimidazolium-Wasserstoffsulfat (EMIHSO₄). Daneben werden aber auch ionische Flüssigkeiten auf Basis von Nitrat- und Dihydrogenphosphat-Anionen untersucht, die bei diesem Batterie-Design ebenfalls gut funktionieren sollen.

Eine Meldung, die im April 2011 ganz kurz in dem Fachforen erscheint, besagt, daß nun auch der britische Ölkonzern BP gemeinsam mit der University of Norwich an einer flüssigen Batterie zum schnellen Nachtanken von Elektroautos arbeitet. Das Kooperationsprojekt mit dem Namen Liquid Electrolyte Transfer System (LETS) ist für BP vermutlich deshalb so interessant, weil dem Konzern zufolge gewöhnliche Zapfsäulen so umgerüstet werden könnten, daß sie statt Brennstoffen den aufgeladenen Elektrolyten liefern. Technische Details gibt es keine.

Obwohl die Nachricht betont, daß das System schon erstaunlich weit entwickelt sei, sind kaum weitere Details zu finden. Das Unternehmen soll die Nachfüllbatterie bereits in umgebauten Nissan Juke Fahrzeugen auf der Strecke London-Folsdsyke testen, einer 290 km weit nördlich von London gelegenen Stadt. Da diese Meldungen jedoch ausgerechnet am 1. April erscheinen, und danach auch nichts mehr darüber zu finden ist, handelt es sich möglicherweise um einen mißglückten Aprilscherz ...

Daß Forscher der Sandia National Laboratories des DOE eine neue Familie von metallbasierten Flüssigsalz-Elektrolyten entdeckt haben, die sich für den Einsatz in Flow-Batterien eignen, wird im März 2012 gemeldet. Man hofft, mit diesen elektrochemisch reversiblen Metall-basierten ionischen Flüssigkeiten (electrochemically reversible Metal-based Ionic Liquids, MetILs) die drei- bis zehnfache Energiedichte anderer Speichertechnologien zu erreichen.

Die wichtigste Neuerung ist die Verwendung eines nicht-wässrigen Elektrolyten, der nicht in einem Lösungsmittel gelöst werden muß, da er sein eigenes Lösungsmittel ist. Hierfür hatte das Sandia-Team ein Verfahren zur Synthese von MetILs aus Low-Cost-Materialien erfunden, die Übergangsmetallatome enthalten, welche beim passieren der Membran eine Spannung und einen Ionenstrom erzeugen. Die synthetisierten MetILs zeigen eine Ionen-vermittelte elektrische Leitfähigkeit, und handeln sowohl als Elektrolyt wie auch als ionischer Ladungsträger. Durch ihren niedrigen Dampfdruck bei Betriebstemperatur verbessert sich auch die Betriebssicherheit von Flow-Batterien signifikant.

Da der Elektrolyt nicht in einem Lösungsmittel verdünnt ist, kann die Konzentration des aktiven Metalls etwa verdreifacht werden, was auch die Effizienz des Flow-Batteriezyklus erhöht. Dies alleine verdreifacht die Energiekapazität des Systems. Gleichzeitig kann auch die Betriebsspannung der MetILs-Batterie doppelt so hoch sein, wie bei einer normalen Vanadium-Durchflußbatterie, was die Energiekapazität ein weiteres Mal verdoppelt. Und schließlich ermöglicht die Chemie der MetILs-Batterien den Fluß von chemischen Substanzen, die für jedes Metall-Ion, das die Membran passiert, 2 – 3 Elementarladungen übertragen. Dies steigert die Energiedichte um den weiteren Faktor 2 – 3. Sollte es gelingen, alle Faktoren in der gleichen Flußbatterie zum Einsatz zu bringen, könnte die Energieleistung des flüssigen Elektrolyten um das 25- bis 30-fache erhöht werden, was die Speicherung von ca. 1,5 kWh/kg Elektrolyt erlauben würde.

Die Anfang 2011 gegründete Firma Boulder Ionics Corp. (BI) in Arvada, Colorado, will ultra-hochreine ionische Flüssigkeiten sowie Elektrolyte auf Basis ionischer Flüssigkeiten für anspruchsvolle elektrochemische Anwendungen produzieren, die bei hohen Temperaturen und Spannungen funktionieren.

Zum Einsatz kommen sollen diese unter dem Markennamen Iolyte in einer breiten Palette von Produkten, wie Ultrakondensatoren, Lithium-Ionen-Batterien und fortschrittlichen Metall-Luft-Batterien. Weitere angedachte Einsatzfelder sind Brennstoffzellen, Farbstoff-Solarzellen, Arzneimittel oder die Entschwefelung bei Erdölraffinerie-Prozessen.

Schon im November 2011 gibt das Unternehmen bekannt, daß es von der US Air Force eine Small Business Innovation Research (SBIR) Förderung in Höhe von 150.000 $ erhalten hat, um Hochleistungs-Ultrakondensatoren mit einer Energiedichte von über 30 Wh/kg zu entwickeln, die als Elektrolyte ionische Flüssigkeiten nutzen und nanostrukturierte Elektroden besitzen.

Im April 2012 folgt ein weiterer SBIR-Zuschuß von knapp 0,5 Mio. $, der diesmal von der National Science Foundation kommt und Boulder Ionics dabei helfen soll, ein neues und kostengünstiges Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von ionischen Flüssigkeiten in industriellen Mengen weiterzuentwickeln. Für ein nicht benanntes Projekt gibt es außerdem rund 300.000 $ von der US Navy. Im selben Monat gelingt es der Firma in einer Finanzierungsrunde A von bestehenden Investoren, darunter Protonic Capital, sowie neuen wie Pangaea Ventures, 9^th Street Investments, dem CalCEF Clean Energy Angel Fund und der JSR Corporation insgesamt 4,3 Mio. $ einzunehmen.

Mit dem Stromversorger Hydro-Québec (HQ) wird im Oktober 2013 eine nicht-exklusive, weltweite Lizenzvereinbarung unterzeichnet, die BI Zugang zu einer Familie von Chemikalien aus dem Patentportfolio der HQ verschafft, welche bis(fluorosulfonyl)imide (FSI) enthalten. In Kombination mit bereits bestehenden Lizenzen über TFSI-Kompositionen hat BI damit die Rechte, zwei der vielversprechendsten Familien von ionischen Flüssigkeiten für die Energiespeicheranwendungen zu produzieren und zu vertreiben.

Im November folgt eine Investition aus dem Southern Cross Renewable Energy Fund in Höhe von 500.000 $, die verwendet werden soll, um ein gemeinsames Forschungsprogramm und eine Lizenzvereinbarung mit der Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO), der nationalen Forschungsorganisation Australiens, zu unterstützen, und um eine australische Tochtergesellschaft der BI zu gründen. Mit diesem Kapitalzuwachs treten auch Southern Cross Venture Partners, SB China Venture Capital (SBCVC) und die australische Agentur für erneuerbare Energien (ARENA) der BI-Investorengruppe bei.

Als Produkte bietet das Unternehmen zu diesem Zeitpunkt die ionischen Flüssigkeiten Iolyte-P1 (EMIM TFSI) und Iolyte-P2 (EMIM FSI), während sich Iolyte-B1 (EMIM FSI + proprietäre Zusätze) für Batterieanwendungen sowie Iolyte-U1 (EMIM TFSI + proprietäre Zusätze) für Ultrakondensator-Anwendungen nun in der Entwicklung befinden.

Ein anderes Unternehmen, das ionische Flüssigkeiten produziert und vermarktet, ist das internationale Unternehmen Sigma-Aldrich Co. LLC, das allerdings insgesamt über 200.000 verschieden Produkte herstellt, sodaß diese Materialien keine besondere Priorität genießen. Die Firma arbeitet auf diesem Sektor mit der Texas State University und dem Naval Air Warfare Center in Kalifornien zusammen. Angeboten werden bereits 12 verschiedene Substanzen (Stand 2013).

Die Entdeckung einer weiteren neuen Familie von ionischen Flüssigkeiten zur Herstellung neuer Elektrolyte wird im Juli 2013 gemeldet. Forscher des Centro de Innovación y Desarrollo Tecnológico en Cómputo (CIDETEC) im Baskenland, einer 1997 gegründeten gemeinnützigen Stiftung, und der Universitat Jaume I. in Castellón de la Plana haben demzufolge Elektrolyte entwickelt und bereits durch ein Patent geschützt, die keine zusätzlichen Lösungsmittel oder Wasser enthalten, mit anorganischen Materialien kompatibel sind und die Leistung, Stabilität und Haltbarkeit elektrochemischer und elektronischer Geräte verbessern. Ihre Anwendungen sollen sie in Batterien und Farbstoff-Solarzellen finden.

Die Materialien beinhalten Sulfid oder Polysulfid, eine nichtflüchtige ionische Flüssigkeit, die eine hohe Ionenleitfähigkeit besitzt und bei relativ hohen Temperaturen genutzt werden kann. Daher verspricht ihre Anwendung auch die Herstellung von Batterien mit höherer Energiedichte. Die Elektrolyte durchlaufen bereits entsprechende Konzepttests, um die Eigenschaften der patentierten Verbindungen bei direkten industriellen Anwendungen zu validieren.

Doch es gibt noch weitere Flow-Batterien mit sehr unterschiedlichen Chemiken.

Die 2004 gegründete Firma Deeya Energy aus Fremont, Kalifornien, kann bereits in einer ersten Finanzierungsrunde im Jahr 2006 rund 7,5 Mio. $ Wagniskapital einnehmen, gefolgt von einer 2. Runde mit weiteren 15 Mio. $ im Januar 2008. Zu den Investoren gehören New Enterprise Associates, BlueRun Ventures, Draper Fisher Jurvetson und DFJ Element. Das Unternehmen, das seine Energiespeichersysteme aus umweltfreundlichen und recycelbaren Materialien herstellt, wird das Geld für den Bau einer Fabrik in Indien sowie für weitere Forschungs- und Entwicklungsausgaben verwenden. Grundlage der Energiespeicherplattform der Firma sei eine in den 1970er Jahren von der NASA entwickelte Technologie.

Im Mai 2009 kann Deeya in einer 3. Finanzierungsrunde 30 Mio. $ kassieren. Neben den bisherigen Investoren steigt nun auch Technology Partners mit ins Boot. Die Ingenieure der Firma arbeiten an einer modularen Flow-Batterie für drei Anwendungen – als Ersatz von Dieselgeneratoren, zur Lagerung von Strom aus erneuerbaren Energien und für die Stabilisierung des Stromnetzes. Die neuen Mittel sollen nun insbesondere dazu verwendet werden, um die Produktion der so genannten L-Cell Technologie auszubauen. Außerdem soll in den nächsten 12 – 18 Monaten eine Megawatt-Demonstrationsanlage in Betrieb genommen werden.

Die Redox-Flow-Batterie von Deeya auf Grundlage einer Eisen-Chrom-Chemie kombiniert die Effizienz eines Großakkus mit der Energiespeicherfähigkeit einer Brennstoffzelle, und soll als Low-Cost-Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien und anderen fortgeschrittenen Speichertechnologien vermarktet werden, die etwa 10 bis 20 Mal weniger kosten soll. Doch bis dahin ist es noch ein weiter Weg.

Im Juni beginnt das Unternehmen, seine kommerziellen 2 kW Einheiten zu verschiffen, allerdings noch zu einem Preis von 4.000 $/kg. Die ersten Festinstallationen erfolgen in Indien, wo Mobilfunkanbieter ihre Funkmasten damit versorgen. Um ans Stromnetz zu kommen, müßten die Kosten jedoch noch um das Vierfache gesenkt werden.

Ende 2013 wird Deeya in Imergy Power Systems umbenannt, wechselt zu einer neuen Batteriechemie und bekommt ein neues Management-Team, um eine breitere Marktpräsenz zu erreichen. Bislang war es nur gelungen, die Flow-Batterien für die Backup-Stromversorgung von Telekommunikations-Türmen in Indien zum Einsatz zu bringen. Außerdem soll eine Design-Vereinbarung mit dem Auftragsfertiger Flextronics dabei helfen, die neue Produktgeneration schneller auf den Markt zu bringen.

Die von dem Imergy-Chefwissenschaftler Majid Keshavarz entwickelte vielversprechende neue Flow-Batterie-Chemie basiert auf Vanadium (s.d.) und verspricht eine lange Lebensdauer sowie niedrigere Produktionskosten, die bis 2015 auf unter 300 $/kW gesenkt werden sollen, also weniger als die Hälfte der Kosten heutiger Flow-Batterien. Das neueste Design fügt dem Elektrolyten einen Low-Cost-Katalysator hinzu, der die Energiedichte verbessert, dabei hilft, den Gasaufbau zu kontrollieren und den Akkus ermöglicht, auch bei hohen Temperaturen zu arbeiten, womit keine aktiven Kühlsysteme mehr erforderlich sind.

Im Zuge der Partnerschaft mit Flextronics plant Imergy, für Telekom-Türme oder private Anwendungen eine 5 kW/30 kWh Batterie einzuführen. Bis zum folgenden Herbst soll ferner eine 250 kW Anlage marktreif sein, die Imergy intern entwickelt, und die für den Einsatz in Mikronetzen in Ländern vorgesehen sind, in denen es kein zentrales Stromnetz gibt und die Elektrizität durch Dieselmotoren erzeugt wird. Eine der Herausforderungen, die nun im Raum stehen, sind die relativ hohen Kosten des Vanadiums selbst.

Im September 2010 erhält ein Team des Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge um die Professoren Yet-Ming Chiang und W. Craig Carter eine dreijährige ARPA-E Förderung, um ein radikal neues Konzept für die Gestaltung von Batterien weiter zu entwickeln, das eine leichte und kostengünstige Alternative zu bestehenden Batterien für Elektrofahrzeuge und Stromnetze zu liefern verspricht. Die neuartige Architektur wird als halbfeste Flußzelle bezeichnet, da hier in einer Trägerflüssigkeit suspendierte feste Teilchen durch das System gepumpt werden. Das Patent dafür war im Juni 2009 beantragt und im Februar 2010 erteilt worden (US/Nr. 20100047671).

Bislang verwenden Flow-Batterien zumeist Flüssigkeiten mit sehr geringer Energiedichte, die bestehenden Systeme nehmen daher viel mehr Platz als Brennstoffzellen ein und erfordern eine schnelles Pumpen ihrer Flüssigkeit, was die Effizienz weiter reduziert. Die neuen halbfesten Flow-Batterien überwinden diese Einschränkung durch eine um das 10-fache verbesserte Energiedichte gegenüber vorliegenden Flüssigkeitsstrom-Batterien. Dadurch ist es nicht mehr nötig, die Flüssigkeit schnell durch die Zelle zu pumpen. Außerdem soll es die neue Konstruktion möglich machen, die Größe und die Kosten eines vollständigen Batteriesystems auf ungefähr die Hälfte des gegenwärtigen Standes zu senken.

Im Grunde führen die Wissenschaftler nur zwei bewährte Technologien zusammen, als ihnen klar wird, daß es möglich ist, die Grundstruktur der wäßrigen Flow-Batterien mit der bewährten Chemie von Lithium-Ionen-Batterien zu kombinieren, indem die festen Materialien der Batterien auf winzige Teilchen reduziert werden, die in einer flüssigen Suspension transportiert werden können – ähnlich Treibsand, der wie eine Flüssigkeit fließen kann, auch wenn er hauptsächlich aus Feststoffpartikeln besteht. Da die resultierende schwarze Flüssigkeit als Alternative für Erdöl im Transportwesen betrachtet wird, bezeichnet das Team sie in einem im Mai 2011 veröffentlichtem Bericht humorvoll als ‚Cambridge crude’ (Rohöl) oder ‚Cambridge sludge’ (Schlamm).

Neben möglichen Anwendungen in Fahrzeugen soll sich das neue Batterie-System auf sehr große Dimensionen zur Versorgung des Stromnetzes hochskalieren lassen, und dies zu recht niedrigen Kosten. Da das System nicht auf eine bestimmte Chemie beschränkt ist, kann daraus zumindest potentiell eine ganze Familie neuer Batteriesysteme entstehen, weshalb der als ‚Batterieguru’ bezeichnete Chiang (dessen frühere Arbeiten zu Li-Io-Batteriechemie 2001 zu der Gründung des MIT-Spin-offs A123 Systems führte, s.d.) zusammen mit seinen Mitarbeitern nun verschiedene chemische Verbindungen erforscht, die in dem halbfesten Flußsystem verwendet werden könnten. Von vielen Seiten wird die erfolgreiche Demonstration einer halbfesten Lithium-Ionen-Batterie als wichtiger Durchbruch betrachtet, der für die Zukunft der Energieerzeugung und -speicherung enorme Bedeutung hat, da nun belegt ist, daß auch aktive Materialien, die in Form von Schlämmen vorliegen, zur Speicherung elektrischer Energie verwendet werden können.

Schon im Sommer 2010 hatten Chiang und Carter zusammen mit dem Unternehmer Throop Wilder – als Spin-of der A123 Systems – in Cambridge, Massachusetts, das Unternehmen 24M Technologies Inc. gegründet, das sich die neue Technologie umgehend lizenzieren läßt. Das 24M steht dabei für die Stoffkonzentration 24 Molar.

Das Unternehmen erhält bereits in seiner ersten Finanzierungsrunde im August 2010 eine Summe von 10 Mio. $ Risikokapital von Charles River Ventures and North Bridge Venture Partners, sowie zusätzliche 6 Mio. $ von der Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E), der Forschungsagentur des US-Energieministeriums.

Die weiterführende Forschung wird nun teilweise bei 24M stattfinden, gemeinsam mit einigen MIT-Absolventen, die bereits an dem Projekt mitgearbeitet haben; teilweise am MIT, wo die Professoren Angela Belcher und Paula Hammond Forschungspartner sind (s.u. Viren-Batterie); und teilweise an der Rutgers University, wo Prof. Glenn Amatucci entsprechend aktiv ist. Auch A123 Systems, die Aktienanteile an der 24M hält, wird eng mit dem Konsortium zusammenarbeiten. Bis Ende des Förderzeitraums soll ein voll funktionsfähiges, verkleinertes und produktionsbereites Prototyp-System präsentiert werden, das als Ersatz für bestehende Elektroautobatterien dienen und deren Kosten um bis zu 85 % reduzieren könnte. Chiang rechnet zu diesem Zeitpunkt mit bis zu fünf Jahren, bevor Feldtests starten können.

Die Firma nutzt konzentrierte Suspensionen von Nanopartikeln der üblichen Li-Ion-Akku-Kathodenmaterialien wie Lithium-Kobalt-Oxid (LCO) und Lithium-Eisenphosphat (LFP) in einem Elektrolyten, um eine energiereiche Flüssigkeit zu schaffen, die langsam über eine Membran fließt, während die ähnliche Suspension eines Anodenmaterials wie Graphit oder Lithiumtitanat (LTO) über die andere Seite der Membran fließt. Auf der Grundlage der bislang hergestellten Laborzellen sollten Energiedichten von 300 Wh/l bis 500 Wh/l und spezifische Energien von 130 Wh/kg bis 250 Wh/kg möglich sein. Da die Kosten der Suspensionen zwischen 40 $/kWh und 80 $/kWh zu den Kosten der Batterie beitragen werden, wird mit einem potentiellen Systempreis von 250 $/kWh für Elektrofahrzeug-Batterien bzw. 100 $/kWh für stationäre Batterien (Grid-Storage) gerechnet. Dies ist auf jeden Fall wesentlich günstiger als die Vanadium-Redox-Chemie des deutschen Fraunhofer-Instituts für Chemische Technologie (ICT) in Pfinztal, bei der die Elektrolytlösungen allein mit über 200 $/kWh zu Buche schlagen (s.d.).

Mitte 2011 wird gemeldet, daß 24M inzwischen schon über 30 Patente besitzt bzw. angemeldet hat. Genau ein Jahr später dringt das Gerücht an die Öffentlichkeit, daß die thailändische National Science and Technology Development Agency versucht, die Entwickler der neuen Technologie davon zu überzeugen, die Herstellung der für Inseln idealen Stromquelle in Thailand aufzubauen. Vorab wird ein Forscher entsandt, um an dem Projekt teilzunehmen. Aktuellere Nachrichten gibt es bislang nicht.

Die Professoren Martin Z. Bazant und Cullen R. Buie arbeiten am MIT an der Entwicklung einer Wasserstoff-Brom Laminar-Flow-Batterie, die als Energiespeicher im großen Maßstab zum Einsatz kommen soll. Das Besondere an dieser neuen wiederaufladbaren Flow-Batterie ist, daß sie zu ihrem Betrieb keine teuren Membranen benötigt.

Im April 2012 erhalten die Forscher eine Seed-Förderung des MIT, und im August 2013 wird erstmals über den bisherigen Entwicklungsstand berichtet. Der zu diesem Zeitpunkt präsentierte handtellergroße Prototyp erzeugt drei Mal so viel Leistung pro Quadratzentimeter wie andere membranbasierte Systeme, und erreicht damit eine Leistungsdichte, die um eine Größenordnung höher ist als die vieler Lithium-Ionen-Batterien oder anderer kommerzieller und experimenteller Energiespeichersysteme.

Die neuartige Flow-Batterie funktioniert aufgrund eines Phänomens, das als laminare Strömung bezeichnet wird. Dabei werden zwei Flüssigkeiten durch einen Kanal gepumpt, wobei zwischen den beiden Elektroden elektrochemische Reaktionen erfolgen, um Energie zu speichern oder freizusetzen. Unter den richtigen Bedingungen strömen die Lösungen parallel durch den Kanal, wobei sie sich kaum vermischen. Die Strömung trennt die Flüssigkeiten auf natürliche Weise, ohne eine kostspielige Membran erforderlich zu machen.

Die Reaktionspartner in der Batterie bestehen aus einer flüssigen Lösung von Brom und Wasserstoff, wobei das Brom ausgewählt wurde, da es relativ preiswert und in großen Mengen verfügbar ist. Von Brennstoffzellen auf Basis von Wasserstoff und Brom ist allerdings bekannt, daß die entstehende Bromwasserstoffsäure dazu neigt, die Membran zu zerfressen. Dies würde aber die Energiespeicher-Reaktion verlangsamen und die Lebensdauer der Batterie verringern. Um das Problem zu umgehen, setzt das Team die einfachste Lösung um – indem es die Membran entfernt. Tatsächlich erweist sich, daß dieses System potentiell große praktische Auswirkungen haben kann, im Gegensatz zu früheren Meinungen, daß membranlose Systeme eine rein akademische Spielerei darstellen.

Bei dem Prototyp mit seinem kleinen Kanal zwischen den beiden Elektroden wird flüssiges Brom über eine Graphitkathode und Bromwasserstoffsäure unter einer porösen Anode entlang geführt, während gleichzeitig Wasserstoffgas über die Anode strömt. Die daraus resultierenden Reaktionen zwischen Wasserstoff und Brom erzeugen Energie in Form freier Elektronen, die abgegeben oder freigesetzt werden können. Ebenso gelingt es, die chemische Reaktion innerhalb des Kanals umzukehren, um Elektronen einzufangen und zu speichern. In Experimenten bei Raumtemperatur erzeugt die Batterie eine maximale Leistungsdichte von 0,795 W/cm². Außerdem entwickeln die Forscher ein mathematisches Modell, um die chemischen Reaktionen in einem Wasserstoff-Brom-System zu beschreiben, dessen Vorhersagen sich mit den experimentellen Ergebnissen decken. Nun hofft man, im Zuge weiterer Arbeiten an dem Modell Rekord-Leistungsdichten zu erreichen, um letztlich membranlose Flow-Batterien zu produzieren, die weniger als 100 $/kWh kosten.

Im August 2013 wird das United Technologies Research Center (UTRC) mit Hauptsitz in in East Hartford, Connecticut, für sein Speichersystem PureStorage mit dem R&D 100 Award des R&D Magazine ausgezeichnet.

Das UTRC ist der Unternehmensbereich für Forschung und Entwicklung von United Technologies, wo an der Lizenzierung der Flußbatterietechnologie für strategische Fertigungspartner weltweit gearbeitet wird.

Die PureStorage-Technologie ist in einem standardmäßigen 6 m Überseecontainer installiert, um die sofortige Einsatz- und Installationsbereitschaft am Kundenstandort zu belegen. Mit einer Demonstrationsanlage, die am UTRC installiert und elektrisch an den Forschungsstandort angebunden ist, will man die Einsatzmöglichkeiten im Industriebereich aufzeigen.

Das von Michael Perry und Craig Walker entwickelte System, über dessen Chemie bislang nichts zu erfahren ist, soll gegenüber konventionellen Flußbatteriezellen eine 5 – 10 Mal höhere Energiedichte erreichen (1,2 mW/cm²) und kann auch an unterschiedliche Größenordnungen angepaßt werden (20 kWh bis > 1 MWh) – und dies zum halben Preis im Vergleich zu anderen gegenwärtig auf dem Markt erhältlichen Speicherlösungen. (Anmerkung: Unter dem Namen Pure Storage gibt es auch eine Firma für Flash-Speicher, die allerdings nichts mit dieser UTRC-Entwicklung zu tun hat).

An einer grundlegenden Weiterentwicklung für flüssige elektrische Batterien arbeitet auch Prof. Thomas P. Russell von der University of Massachusetts. Der Wissenschaftler nutzt den Fakt, daß sich Öl und Wasser nicht mischen, um die natürliche sphärische Form von Flüssigkeitstropfen in Ellipsoide, Röhrchen und sogar Faserstrukturen zu verändern, die aussehen wie Glaswolle.

Der Meldung vom Dezember 2013 zufolge gelingt es Russell, die Wassertropfen in einer Kombination aus Wasser, Öl und Nanopartikel-Tensiden durch den Einfluß eines äußeren Feldes in Nicht-Gleichgewichtsformen zu stabilisieren. Im Einzelnen wird ein Tropfen Wasser in Siliconöl suspendiert und dem Ganzen carboxylierte Nanopartikel hinzugefügt.

Die Nanopartikel bilden durch Selbstorganisation an der Öl/Wasser-Grenzfläche einen kugelförmigen Tensidtropfen, ähnlich wie bei einer Seifenblase. Durch das Anlegen eines elektrischen Feldes an den Tropfen wird die Gleichgewichts-Energie überwunden, welche die Kugelform stabilisiert, worauf sich die Kugel in ein Ellipsoid verformt. Und da ein Ellipsoid eine größere Oberfläche als eine Kugel mit dem gleichen Volumen hat, können sich auch mehr Nanopartikel daran binden. Sobald das elektrische Feld entfernt wird, versucht der Nanopartikel-Tropfen zur Kugelform zurückzukehren. Dies wird jedoch durch die gesteigerte Anzahl von Nanopartikeln an der Öl/Wasser-Grenzfläche verhindert, wodurch der Tropfen in einer stabilen Ellipsenform fixiert wird.

Indem die Form einer Flüssigkeit kontrollierbar wird, die sich in einer anderen Flüssigkeit befindet, und die Formen der Flüssigkeiten quasi fest ‚eingerastet’ sind, werden mikrofluidische Bauteile denkbar, die innerhalb eines Tropfens vollständig flüssig sind, ebenso wie Batterien, in denen die Ionen durch Wasserrohre fließen. Russell wird die Forschungen nun am Berkeley Lab weiterführen, wobei er sich auf die Anwendung von magnetischen und Ultraschallfeldern konzentrieren will, um die Tröpfchen zu verformen.

Im Januar 2014 meldet die Fachpresse, daß ein Team von Wissenschaftlern und Ingenieuren der Harvard University in Cambridge nicht näher bezifferte Fördermittel aus dem ARPA-E Programm des DOE erhalten hat, um eine neue Art von Batterie für Netzanwendungen zu entwickeln. Schon im Jahr zuvor hatte die Projektgruppe aus derselben Quelle einen Zuschuß von 600.000 $ bekommen.

Dabei handelt es sich um eine metallfreie Flow-Batterie, die auf der Elektrochemie des in Erdöl sowie in grünen Pflanzen reichlich vorhanden, preiswerten und kleinen organischen Moleküls Chinon (engl. Quinone) auf Kohlenstoffbasis basiert, welches jenen Molekülen ähnelt, die Energie in Pflanzen und Tieren speichern. Die Chinone werden in Wasser gelöst, damit sie sich nicht entzünden.

An dem Projekt der Chinon-Bromid-Flußzelle sind eine ganze Reihe hochkarätiger Wissenschaftler beteiligt. Während die Batterie selbst von Prof. Michael J. Aziz entwickelt, gebaut und getestet wird, werden die Arbeiten zur Synthese der Moleküle von Prof. Roy G. Gordon durchgeführt, und Prof. Alán Aspuru-Guzik verwendet seine bahnbrechende, numerische Hochdurchsatz-Molekular-Screening-Methode, um auf der Suche nach den besten Kandidaten für die Batterie die Eigenschaften von mehr als 10.000 Chinon-Molekülen zu berechnen. Die Synergie von Hochdurchsatz-Quantenchemie und experimenteller Überprüfung erlaubt es dem Team, das richtige Molekül in sehr kurzer Zeit zu finden.

Das Labormodell der neuen Flow-Batterie arbeitet schon genauso gut wie Vanadium-Redox-Batterien, und dies mit Chemikalien, die deutlich weniger teuer sind und auch ohne Edelmetall-Elektrokatalysator auskommen. Die verwendeten Substanzen schlagen mit nur 27 $/kWh gespeicherten Stroms zu Buche, wobei das verwendete Molekül nahezu identisch ist mit einem aus der Rhabarber-Pflanze. Zwar werden auch nach mehr als 100 Zyklen keine Anzeichen einer Verschlechterung festgestellt, doch kommerzielle Anwendungen erfordern Tausende von Zyklen. Erreicht wird bereits eine relativ hohe Leistungsdichte von 600 mW/cm².

Bis zum Ende der dreijährigen Projektlaufzeit will die in Connecticut ansässige Firma Sustainable Innovations LLC, die ebenfalls an dem Projekt beteiligt ist, eine Demo-Version der portablen und hochskalierbaren organischen Flow-Batterie in der Größe eines Pferdeanhängers präsentieren können. Bislang beschäftigt sich das Unternehmen mit einer hocheffizienten HALO-GEN Speichertechnologie (> 80 %), die auf einer reversiblen Wasserstoff/Brom-Chemie basiert, die kostengünstig, skalierbar und flexibel konfigurierbar ist. Ihren Namen hat sie durch den Einsatz von Halogen als Trägergas.

 

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