TEIL C

ENERGIESPEICHERN

Die verschiedenen Batterie- und Akkumulatorentypen (XII)

Papier-Batterie

Eine relativ junge Entwicklung bilden die sogenannten Papier-Batterien, die den Namen zumeist ihrer äußerlichen Ähnlichkeit mit Papier verdanken. Sie sind extrem flach, elastisch und lassen sich biegen oder knicken. Neben den weiter oben aufgeführten organischen Batterien werden häufig auch die später präsentierten Plastik- und Polymer-Batterien mit diesem Begriff bezeichnet (s.d.). Es gibt aber auch mehrere Ansätze, die tatsächlich auf pflanzlicher Zellulose basieren.

Der Begriff Paper Power Cell taucht m.W. zum ersten Mal Ende 2006 in einem Bericht koreanischer Forscher des Unternehmens Rocket auf (bislang nicht verifiziert). Interessanterweise bezeichnet sich eine 2008 in Shanghai gegründete Firma Hua-Yi Industrial Co. Ltd. als Hauptproduzent dieser Papier-Energiezellen. Über beide genannten Unternehmen ist jedoch nichts Näheres zu finden.

Der 1994 gegründete RFID Hersteller KSW Microtec AG in Dresden hat in seinem Produktportfolio auch sogenannte smart Labels, von denen das ab 2002 eingeführte Label VarioSens, ein semi-aktiver Temperatur-Daten-Logger mit RFID Interface, der mit einer papierdünnen Lithium-freien Batterie ausgestattet ist, die eine Lebensdauer von 2 Jahren besitzt. Eingesetzt wird dieses Produkt zur Überwachung der Temperatur von Blutkonserven. Leider habe ich noch nicht herausfinden können, um welche Form von Batterie es sich bei dieser sehr sinnvollen Umsetzung handelt, und ob sie von KWS selbst hergestellt oder hinzugekauft wird.

Die Deutsche Effecten- und Wechsel-Beteiligungsgesellschaft AG, Jena, übernimmt im Jahr 2006 100 % der KSW-Aktien, um sie 2011 für 24 Mio. € an die niederländische SMARTRAC N.V. weiterzuverkaufen, einen weiteren führenden Entwickler, Hersteller und Zulieferer von RFID-Transpondern.

Forscher des Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) in Troy, New York, stellen im August 2007 eine von ihnen bereits patentierte Papier-Batterie vor, die aus Zellulose besteht, biologisch abbaubar und völlig ungiftig ist. Bei ihrer Variante durchbrechen die Wissenschaftler den sonst typischen Aufbau einer Batterie, bei der Elektrolyte und Elektroden durch eine Zwischenschicht getrennt werden.

Stattdessen konstruieren die Wissenschaftler ein Kompositmaterial, bei dem Kohlenstoff-Nanoröhrchen sowie ein ionische Flüssigkeit als Elektrolyt in ein Papier-Substrat eingebracht werden, wobei sich die Komponenten molekular miteinander verbinden. Das Ergebnis besteht zu 90 % aus Zellulose, wiegt genauso viel wie Papier, sieht so aus und fühlt sich auch so an. Es kann gerollt, gefaltet und sogar gestapelt werden, um mehr Leistung zu erzielen.

Die Arbeitstemperatur dieser Technologie beträgt zwischen -78°C und +150°C (die Zahlen variieren in den unterschiedlichen Quellen geringfügig). Da das Papier biologisch mit menschlichen Gefäßen kompatibel ist, läßt es sich auch für medizinische Implantate einsetzen – und zum Aufladen kann die Batterie auch Blut, Schweiß oder Urin nutzen. Über ähnlich versorgte Batterien werde ich weiter unten noch ausführlicher berichten.

Bereits im August 2008 wird von einem Team von Wissenschaftlern und Unternehmern in Troy die Firma Paper Battery Company gegründet, die sich die weltweiten exklusiven Rechte an dem Patent des RPI sichert, um die flexiblen und skalierbaren Papier-Batterien herzustellen und zu verkaufen. Die Investoren der Firma sind u.a. der Seed Capital Fund of Central NY und die Eastern NY Angels.

Darauf aufbauend entwickelt die Firma die Technologie-Plattform PowerWrapper, für die eigene Patente beantragt werden. Hauptinnovation der Paper Battery Co. ist die Architektur der dünnen, mehrschichtigen Folien, die das Unternehmen gerne ,Energiespeicherblätter’ nennt, und die aus einem Netzwerk unabhängiger Zellen in paralleler Anordnung bestehen.

Das im Massen-Formdruckverfahren hergestellte Produkt aus einem Zellulose-Nanokomposit hat voll funktionsfähige Komponenten wie Elektroden und einen porösen Separator in situ, es ermöglicht mehrfach höhere Energiedichten als die aktuellen kommerziellen Superkondensatoren (je nach Quelle: 2- bzw. 6-fach), hat eine deutlich längere Lebensdauer und erreicht höhere Leistungen als die von Batterien.

Im Februar 2010 erhält die Paper Battery Co. 250.000 $ von der New York State Energy Research and Development Authority (NYSERDA), um die Papier-Batterien weiterzuentwickeln, gefolgt von 1 Mio. $ im August 2011 für den Aufbau einer Prototyp-Produktionslinie.

Im März 2012 wird die Freigabe eines ,PowerPatch Developer Kits’ für strategische Partner und potentielle Kunden bekanntgegeben, bei dem es sich um 35 cm² große Blätterstapel mit 4 - 15 Joule pro Stapel handelt, die mit 2 V bzw. dem Vielfachen davon erhältlich sind. Die 0,4 – 1,1 mm dicken Prototyp-Geräte haben Verbindungslaschen, um direkt an die Anwendung gesteckt oder gelötet werden zu können. Der Firma zufolge beinhaltet ihre PowerPatch-Produktlinie einen ultradünnen, strukturierbaren Ultrakondensator nebst Leiterbahnen und Verpackung, um daraus kompakte Energiemodule mit Betriebsspannungen von 2 - 7,8 V zu machen, je nach der gewünschten Lebensdauer.

Die kommerzielle Produktion ist nun für 2013 geplant, wobei die ersten Verkäufe an bestehende Kunden spätestens im Folgejahr erfolgen sollen. Im März 2014 kann die Paper Battery Co. allerdings erst eine Partnerschaft mit dem chiniesischen Produzenten von Li-Io-Batterien Technology with Spirit Industrial (TWS) bekanntgeben, mit dem man gemeinsam bereits ein hybrides System entwickelt habe, bei dem ein herkömmlichern Lithium-Ionen-Akku in ein Blatt des Ultrakondensator-Materials gewickelt ist. Das Ergebnis sei ein Akku, der länger hält und auch den Leistungsanforderungen von mobilen Geräten besser entspricht.

TWS zufolge steigert die Hinzufügung des Ultrakondensator-Blattes die Effizienz der Batterie um bis zu 15 % und erhöht zugleich die Batterielebensdauer. Dazu bietet die Umhüllung thermische Vorteile sowie eine Abschirmung gegenüber Radiofrequenzen und elektromagnetischen Interferenzen. Die ersten integrierten Systeme sollen noch in diesem Jahr in Produktion gehen. Ist die Umsetzung erfolgreich, könnten die dünnen Ultrakondensatoren zukünftig auch in anderen Formen integriert werden, einschließlich ihrer Plazierung im Batteriegehäuse selbst.

Im September 2009 verbreitet sich in der Presse eine Meldung der schwedischen Universität Uppsala, wo Maria Strømme, Albert Mihranyan und ihren Kollegen einen neuen Laderekord für dünne Papier-Kunststoff-Batterien auf der Basis von Algenfasern aufgestellt haben.

Aufgebaut ist der kleine 1 V Akku aus feinen Zellulosefasern, die aus Meeresalgen gewonnen werden. Grundlage für den Einsatz als Batterie ist eine Nanostrukturierung der Algenzellulose, die eine 100 Mal größere Oberfläche aufweist als Papier. Dies macht die Algenoberfläche besonders geeignet, als Trägermaterial für elektrisch leitende Kunststoffe zu dienen. Die Fasern werden dann mit einer nur 50 nm dünnen Schicht aus dem Kunststoff Polypyrrol (PPy) beschichtet, einem elektrisch leitfähigen Polymer.

Das innovative Design der Batteriezelle ist überraschend einfach, da beide Elektroden aus identischen Papier-Verbindungen bestehen, die durch gewöhnliche Papierfilter mit Natriumchlorid als Elektrolyt getrennt sind, d.h. salzhaltigem Wasser. Die Potentialdifferenz entsteht lediglich aufgrund der Unterschiede zwischen den oxidierten und den reduzierten Polypyrrol-Funktionsschichten.

Bereits der erste Prototyp mit 600 mA/cm² kann innerhalb von nur elf Sekunden aufgeladen werden – was der bislang höchsten Ladekapazität für eine Polymer-Papier-Batterie entspricht. Die Ladekapazität nimmt selbst nach 100 Ladezyklen nur um geringe 6 % ab.

Für eine Serienproduktion sind die Papier-Akkus, die bis zu 25 mWh/g speichern können, allerdings noch nicht reif, weshalb die Forscher die Stabilität dieser einfachen Stromspeicher erhöhen und auch ihre Ladekapazitäten weiter steigern wollen. Produzieren lassen sollen sich die flexiblen Batterien – möglicherweise schon in drei Jahren – sehr günstig, auch können sie ohne eine große Umweltbelastung recycelt werden.

Um die Batterien auf Basis der Strømme-Patente weiterzuentwickeln und zu kommerzialisieren, wird in Uppsala im selben Jahr die Firma Perendinus Technologies AB gegründet, die von der Schwedischen Energieagentur und der Schwedischen Regierungsagentur für Innovationssysteme (Vinnova) finanziert wird.  Strømme selbst ist Direktorin des Startups.

Meldungen vom Juni 2010 zufolge erhält das Unternehmen 300.000 SEK von der Vinnova, um nun geeignete Herstellungsverfahren zu entwickeln, die Algenbatterie vom Labormaßstab in die industrielle Produktion zu überführen und geeignete zukünftige Partner zu finden.

Im Oktober 2012 wird Strømme, die bereits 27 Patente in acht verschiedenen Patentfamilien hält, für ihre grundlegenden und angewandten Forschung in der Nanotechnologie und für ihr umfangreiches Unternehmertum in Physik und Medizin mit der Goldmedaille der Königlich Schwedischen Akademie für Ingenieurwissenschaften ausgezeichnet..

Schon im Dezember 2009 folgt ein Bericht der Stanford University, wo der umtriebige Prof. Yi Cui, der sich zuvor unter der Verwendung von Kunststoffen mit Nano-Batterien beschäftigt hat, nun feststellt, daß eine Papier-Batterie weit haltbarer ist, da sich die Tinte viel stärker an Papier bindet als an Kunststoff.

Die Herstellung des hoch leitenden Speichers erfolgt durch Eintauchen eines gewöhnlichen Stück Papiers in eine Tinte, die aus Kohlenstoff-Nanoröhren und Silber-Nanodrähten besteht. Indem ein Stück unbehandeltes Papier zwischen zwei Stücke mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen eingefärbte Blätter gepackt wird, und die Schichten dann in einer Elektrolytlösung plaziert werden, entsteht ein leitfähiges Papier, das gebogen und gerollt werden kann.

Die verwendeten Nanomaterialien haben eine eindimensionale Struktur mit sehr kleinen Durchmessern, die der Tinte dabei helfen, sich stark an die Papierfasen zu binden. Dadurch wird die Batterie sehr langlebig und übersteht mehr als 40.000 Lade/Entlade-Zyklen, was eine Größenordnung mehr ist als bei Lithium-Batterien. Die Nanomaterialien sind auch ideale Leiter, da sie den Strom viel effizienter bewegen als gewöhnliche Leiter.

Die kostengünstige, ultra-leichte, biegsame und sehr haltbare Papier-Batterie kann zerknittert, gefaltet oder sogar in sauren oder basischen Lösungen eingeweicht werden, und funktioniert dann immer noch. Berechnungen legen nahe, daß leitendes Papier, das mit einem Kilogramm Kohlenstoff-Nanoröhren beschichtet ist, eine 40 W Glühbirne eine Stunde lang mit Strom versorgen könnte. Es ist klar, daß ein solcher Akku in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden könnte. Eine weitere Umsetzung kann in Form von Superkondensatoren erfolgen (s.d.). Entsprechende Prototypen haben im Laufe von 6 Monaten bereits erfolgreich über 40.000 Zyklen durchlaufen.

Wegen des hohen Herstellungspreises der Nanoröhrchen ist die Produktion des Akkus momentan noch extrem teuer und eine Produktion im großen Stil ausgeschlossen. Bei den Nano-Batterien kann man allerdings verfolgen, daß sich dies im Laufe der Jahre sehr schnell ändert (s.d.).

Im Januar 2011 stellen Wissenschaftler um Elvira Fortunato und Rodrigo Martins vom Center for Materials Research (CENIMAT) der Universidade Nova in Lissabon, Portugal, eine neue Papier-Batterie vor, die Energie durch die Elektrolyse von Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt – und Wasserdampf aus der Atmosphäre aufnehmen kann, um sich selbst wieder aufzuladen. Hierfür soll bereits eine Luftfeuchtigkeit von nur 40 % ausreichen.

Mit den einfachsten Strukturen, die von den Forschern hergestellt werden (Kupfer/Papier/Aluminium), wird eine Leerlaufspannung von 0,5 V und eine Kurzschlußstromdichte von 1μA/cm² erreicht. Zur Betätigung des Gate eines Papier-Transistors, den Fortunato bereits 2008 entwickelt hatte, werden sieben Papier-Batterien in dem gleichen Substrat in Reihe geschaltet, wobei sie eine Spannung von 3,4 V abgeben. Weitere Details sind aber nicht zu finden, und neuere Informationen scheint es auch nicht zu geben.

Die portugiesische Presse meldet dann im November 2011, daß die Gruppe die „erste Papier-Batterie der Welt“ erfunden habe, die Strom für Mobiltelefone und andere elektronischen Geräte liefern kann. Außerdem erfinden die Wissenschaftler auch die „ersten Biobatterien der Welt“, die von Körperflüssigkeiten wie Schweiß und Blut betrieben werden und für Geräte wie Herzschrittmacher gedacht sind. Während die Papier-Batterien mit ganz normalem Schreibpapier arbeitet, benötigen Biobatterien ein synthetisches Papier, das im menschlichen Körper nicht abgebaut wird. Die Herstellung dieser Papierart erfolgt aus einem Cellulosederivat, bei dem mit elektrischen Feldern eine Nanofasermembran ausgebildet wird.

Daß die portugiesische Presse - von den Forschern zumindest unwidersprochen - so ,selbstbewußt’ behauptet, diese seien die ersten, denen solche Batterien gelungen sind, ist ein Beleg für einen völlig mangelhaften Informationstransfer. Anders gesagt: Hätten sie hier im Buch der Synergie (oder in einer wünschenswerten portugiesischen Übersetzung!) nachgelesen, dann hätten sie erfahren können, wie viele Vorläufer es schon gibt. Aber so wird das Ei immer wieder erfunden … ohne je richtig zum Schlüpfen zu kommen.

Eine weitere organische Batterie auf Basis von Papier wird im Juli 2011 von Prof. Adam Dyker an der kanadischen University of New Brunswick vorgestellt. Entstanden ist sie in Zusammenarbeit mit dem Start-up KnowCharge Inc. in Fredericton, New Brunswick, einem Spezialisten für antistatische Verpackungen.

Aus den veröffentlichten Meldungen ist kaum mehr zu entnehmen, als daß Dyker die metallischen Komponenten in Batterien durch Kohlenstoff und Stickstoff ersetzt habe. Seine Batterie soll sich innerhalb weniger Minuten wieder aufladen lassen und kann tausende Male verwendet werden. KnowCharge plant nun,  innerhalb der nächsten 26 Monate einen kommerziellen Prototyp vorweisen zu können.

Im März 2012 stellt ein Team um Grzegorz Milczarek von der Politechnika Poznańska (PUT) in Polen, und Olle Inganäs von der Linköping University (LiU) in Schweden einen Energiespeicher vor, der hauptsächlich aus billigen Abfällen der Papierherstellung besteht. Die Forschen orientieren sich dabei am Vorbild der Natur, wo es Pflanzen bei der Photosynthese gelingt, elektrische Energie mit einer erstaunlichen Energiedichte zu speichern. Mittels Hydrochinon, das je zwei Elektronen und Protonen speichert, erzielen die Pflanzen eine Ladungsdichte von 496 mAh/g, was weitaus mehr ist, als vom Menschen konstruierte Lithiumakkus erreichen (344 mAh/g). Inganäs führt seit vielen Jahren Forschungen zu organischen Solarzellen durch.

Die nötigen organischen Materialien gewinnen die Forscher aus Ligninsulfonaten, die bei der Aufspaltung von Holzfasern für die Papierherstellung entstehen und Lignin enthalten, dem ,Kleber’, die die Zellen zusammenhält, während die elektrische Leitfähigkeit durch das leitfähigs Polymer Polypyrrol hergestellt wird. Daraus einsteht ein 0,5 Mikrometer dünner Film, der als Kathode in der Batterie verwendet wird.

Im Experiment erreichten die Forscher mit dieser Kombination bereits eine Ladungsdichte von 100 mAh/g. Das Potential ist eine Quelle, die nie endet, da Lignin 20 – 30 % der Biomasse eines Baumes ausmacht – also ein wortwörtlich nachwachsender Rohstoff ist. Ein Problem stellt derzeit allerdings noch die Selbstentladung des Materials das, wenn ihm keine Energie entnommen wird. Dies könnte sich jedoch verbessern, wenn es gelingt, die Zusammensetzung des Rohstoffs genauer zu kontrollieren.

Interessanterweise wird der Lignin und verschiedene andere Chemikalien enthaltende Rohstoff, darunter einige auf Kohlenstoffbasis, unter seinem Namen Rohlauge oder Schwarzlauge (Black Liquor) bereits seit den 1930er Jahren zur Energiegewinnung eingesetzt – indem er von den Papiermühlen verbrannt wird, bei denen er anfällt. Die Schwarzlauge enthält schließlich einen Großteil des Energiegehalts des verarbeiteten Holzes. Für die Papiermühlen hat dies die Vorteile, daß damit die Entsorgung giftiger Chemikalien vermieden wird und die Anlagen weitgehend energieautark betrieben werden können.

Nicht sehr erfolgreich wirkt die 2009 gegründete Firma Vendum Batteries Inc., die bislang nur im Laufe des Jahres 2012 einige Meldungen verbreitet hat. Die Elektroden der Vendum-Batterie sollen aus Kohlenstoff-Nanoröhren bestehen und von einem Blatt aus Zellulosefasern eingehüllt sein, das Papier sehr ähnlich sei. Und obwohl das System wie eine herkömmliche Batterie funktioniert, sei es in der Lage, Energie wie ein Superkondensator zu speichern.

Vendum zufolge kann ein Prototyp-Blatt der nicht-toxischen, auf Kohlenstoff basierenden Papier-Batterie etwa 2,4 V bei einer Stromdichte von etwa 0,6 mA/cm² erzeugen, wobei sich die Spannung durch ein Schichten der Blätter erhöhen läßt. Die flexible Struktur macht die Batterie ideal für kleine oder unregelmäßig geformte Elektronik. Es wird ein Patent angemeldet und eine US-Fundraising-Tour durchgeführt, außerdem gibt es Pläne für eine Integration der Batterie-Technologie mit Photovoltaik-Zellen... doch bislang scheint nichts davon erfolgreich gewesen zu sein.

Plastik- und Polymerbatterien

Die ersten Plastikbatterien bzw. Polymerbatterien sollen im Rahmen einer japanisch-amerikanischen Zusammenarbeit entwickelt worden sein. Der entstandene Akkumulator besteht aus mehreren Schichten einer Polyacetylen-Folie, die zusammen mit einer Lösung aus Lithiumperchlorat und Popylencarbonat als Elektrolyten in einem Glasgehäuse eingeschlossen sind. Diesen sehr leichten und einfach herstellbaren Batterien wird eine glänzende Zukunft versprochen.

Auch das Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie (ISIT) in Itzehoe entwickelt gemeinsam mit der Christian-Albrecht-Universität Kiel einen Lithium-Polymer-Akkumulator (LIPO) aus dünn beschichteten Folien, in dem pastenartige Festkörperelektrolyte zum Einsatz kommen, anstelle der sonst üblichen Flüssigsäuren. Im Jahr 1998 wird ein erstes Funktionsmuster vorgestellt, das Patent angemeldet und die Pilotfertigung vorbereitet. Man betont besonders die gesundheitliche Unbedenklichkeit der eingesetzten Lithiumsalze. Problematisch ist allerdings die Haltbarkeit der Akkus, die es noch zu optimieren gilt. Später betreibt das ISIT im neuen Technikum eine flexibel ausgelegte Zellfertigung im Labormaßstab und entwickelt maßgeschneiderte LIPO-Lösungen für Projektpartner. Mehr über diesen Batterietyp findet sich unter Lithium-Polymer-Batterie.

Eine weitere Version präsentieren Wissenschaftler um Frau Prof. Tayhas Palmore an der Brown University in Providence, Rhode Island, im September 2006.

In ihrer sogenannten Hybrid-Batterie wird der Strom nicht durch Metalle, sondern primär durch leitende Kunststoffe erzeugt. In dem System werden die langfristige Speicherkapazität einer Batterie mit der schnellen Ladungsaufnahme und -abgabe eines Kondensators gepaart.

Zum Einsatz kommen dünne Streifen von mit Gold-beschichteter Kunststoff-Folie, deren Spitzen mit Polypyrrol und einer weiteren Substanz umhüllt sind, welche die Leiteigenschaften verändert. Der Vorgang wird mit einer anderen Art chemischer Veränderung der Leiteigenschaft wiederholt, und die zwei Kunststoffstreifen mit unterschiedlichen Polymer-Spitzen dann zusammengeklebt, getrennt von einer papierartigen Membran, um einen Kurzschluß zu verhindern.

Die neue Batterie, deren Entwicklung von der National Science Foundation gefördert wird, erreicht dadurch die doppelte Speicherkapazität eines elektrischen Double-Layer-Kondensators – und die mehr als 100-fache Leistung einer Standard-Alkaline-Batterie. Leider ist über die weitere Entwicklung nichts zu finden.

Nur einen Monat später stellt die 1981 gegründete - inzwischen allerdings gelöschte - Firma Technology Research Laboratories Inc. aus Port Orange, Florida (oder Durham, New Carolina?), eine Batterie vor, die fast ausschließlich aus Kohlenstoff- und Kunststoff-Materialien besteht. Leider läßt sich auch darüber nichts mehr herausfinden.

Über den superdünnen Akkus von NEC, dessen negative Elektroden in Form eines Polymergels hergestellt sind, habe ich bereits unter Organische Radikalbatterie (ORB) berichtet.

Im Jahr 2001 wendet sich NEC an die Waseda University in Tokio, worauf man dort beginnt, sich mit organischen Batterien zu beschäftigen. Schon 2002 legen die Forscher ein Papier über eine Polymer-Technologie auf der Basis von Piperidinoxyl vor, und bis 2005 präsentierten sie einen ORB-Akku auf Basis eines modifizierten PTMA, Poly (2,2,6,6-Tetramethylpiperidinyloxy-4-yl Meth-Acrylat).

Im März 2007 veröffentlichen die Waseda-Wissenschaftler Hiroyuki Nishide, Hiroaki Konishi und Takeo Suga die Meldung, daß sie nun eine neue, Papier-ähnliche Batterie auf Grundlage eines rund 200 nm dünnen Redox-aktiven, organischen Polymerfilms entwickelt haben. Die Leistung der Batterie, die sich in weniger als einer Minute aufladen läßt, sei auffallend hoch, während die Lebensdauer über 1.000 Zyklen beträgt.

Hergestellt wird der dünne Polymerfilm mit einem lösungsverarbeitenden Verfahren aus dem löslichen Polymer Polynorborene, an den auf der Oberfläche Gruppen von Nitroxidradikalen gebunden sind (Spin-Coating), die als Ladungsträger fungieren. Durch UV-Bestrahlung wird das Polymer mit Hilfe des Vernetzungsmittels Bisazid verknüpft, was das Polymer mechanisch härtet. Die Zelle aus Nitroxid-Radikalen kann sich auch nicht selbst entladen. Über weitere Entwicklungsschritte oder Umsetzungen ließ sich bislang nichts finden.

Im September 2011 berichten die Fachblogs, daß ein Forschungsteam um Dr. Xie Xian Ning an der National University of Singapore im Rahmen einer Nanotechnologie-Initiative (Nanoscience and Nanotechnology Initiative, NUSNNI) die weltweit erste Energiespeicher-Membran entwickelt hat.

Das Material ist weich, faltbar und funktioniert ohne flüssige Elektrolyte, die auslaufen könnnten. Außerdem sollen daraus hergestellte Akkus kostengünstiger als herkömmliche Batterien oder Kondensatoren sein, sowie in der Lage, mehr Energie zu speichern als diese.

Zur Herstellung der Membran aus organischen Abfällen wird ein Polymer auf Polystyrol-Basis verwendet, einem transparenten, geschäumt weißen, amorphen oder teilkristallinen Thermoplast. Sandwichartig zwischen zwei Graphitplatten gelegt und aufgeladen kann eine Ladung von 0,2 Farad pro Quadratzentimeter gespeichert werden, was deutlich über der typischen Obergrenze von 1 Mikrofarad pro Quadratzentimeter für einen Standard-Kondensator liegt.

Auch die Kosten der Energiespeicherung werden mit dieser Erfindung drastisch reduziert, von etwa 7 $, um jedes Farad mit vorhandenen Technologien auf Basis flüssiger Elektrolyte zu speichern, auf etwa 0,62 $ pro Farad mit der neuen Methode. Umgerechnet bedeutet dies bis zu 20 Wh/$ bei der Membrantechnologie, während Lithium-Ionen-Batterien auf nur 2,5 Wh/$ kommen. Die proprietäre Membran ermöglicht darüber hinaus eine sehr einfache Gerätekonfiguration und niedrige Herstellungskosten, außerdem ist sie umweltfreundlich. Die bislang letzte Meldung besagt, daß das NUSNNI-Team nach Möglichkeiten für eine Kommerzialisierung der Technologie sucht.

Im November 2011 gründet Prof. Ulrich S. Schubert an der Friedrich-Schiller-Universität Jena eine neue Forschergruppe, die sich mit der Entwicklung neuer polymerer Materialien für die effiziente Speicherung von elektrischer Energie beschäftigen wird. Zusammen mit einer weiteren neuen Forschergruppe vom Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS) in Hermsdorf wollen die Jenaer Chemiker ihre Kompetenzen auf dem Gebiet der Energiespeicherung bündeln. Dabei wird man sich in Jena auf die Entwicklung neuer polymerer Materialien konzentrieren, während sich die Gruppe in Hermsdorf auf anorganische Materialien zur Energiespeicherung fokussiert.

Die beiden Forschergruppen, die der Freistaat Thüringen in den drei Folgejahren mit über 2 Mio. € fördern will, sollen dabei die Keimzelle des in Gründung befindlichen neuen Forschungszentrums für Energie- und Umweltforschung in Jena (CEEC Jena) bilden. Anfang 2012 warten sie noch immer auf die Förderzusagen des Landes – und bislang scheint sich auch noch nichts weiter getan zu haben, obwohl der Aufbau des CEEC intern bereits begonnen haben soll.

Plexiglas-Batterie

Ich habe der Batterie des Erfinders Karl Lüneburg aus Hamburg-Rahlstedt diesen Namen gegeben, weil aus den entsprechenden Patent (DE-Nr. 1421212, vgl. CH-Nr. 345074) hervorgeht, daß dieses Material essentiell für die Funktion ist. Ich erhalte die Information darüber von einem treuen Leser dieser Seiten, dem ich an dieser Stelle sehr dafür danken möchte. Es fällt auf, daß das im Dezember 1958 beantragte Patent mit dem Titel ,Aufladbarer elektrischer Stromsammler und Verfahren zu seiner Herstellung’  erst im August 1969 erteilt und veröffentlicht wird – was an sich schon kaum erklärlich ist.

Aus den wesentlichen Passagen des Patenttextes ist zu erfahren, daß der Sammler einen einfachen mechanischen Aufbau gestattet, der völlig flüssigkeitsfrei und daher in jeder Betriebslage einsatzfähig sein kann, praktisch keiner Wartung bedarf und bei dem auch keine Gasentwicklung auftritt. Der Aufbau erfolgt in Schichten, wobei es eine positive bzw. negative Stromsammlerschicht aus festem Isolierstoff gibt, eine jeweils positive bzw. negative Elektrode, sowie durch eine zwischen der positiven und der negativen Sammlerschicht befindliche, elektrisch leitende und gegenüber den Elektroden elektrisch isolierte Zwischenschicht.

Werden zwei Platten aus Polymethakrylsäure Ester und Acrylnitril-Mischpolymerisat (d.h. Plexiglas) unter Zwischenfügung einer Metallschicht aneinandergelegt und die Außenflächen der beiden  Platten mit je einer der Stromzuführung vom Ladegerät dienenden Elektrodenplatte bedeckt, entsteht völlig unerwartet ein brauchbarer Sammler. Auch die Fähigkeit eines derartigen Stromsammlers, große Ladungsmengen aufzunehmen und über längere Zeiträume zu speichern, ist äußerst überraschend.

Dabei erweist es sich als vorteilhaft, die flächig ausgebildeten Elektroden beidseitig mit den ihnen zugeordneten Sammlerschichten zu umgeben. Besonders günstige Resultate lassen sich erzielen, wenn die von den zugeordneten Elektroden abliegenden Seitenflächen oder Sammlerschichten mit leitenden Belägen versehen sind, die miteinander und mit der leitenden Zwischenschicht leitend verbunden sind. Zur Erzielung einer hohen Spannung können einzelne Sammlerelemente in Serie geschaltet werden. Ein aufmerksamer Leser wies darauf hin, daß die Sammlerplatten zusätzlich erhitzt werden müssen.

Als Isolierstoffe werden vorzugsweise Produkte aus natürlichen und künstlichen Harzen vorgeschlagen, während die Elektroden, die Beläge sowie die leitende Zwischenschicht vorzugsweise aus Folien aus Metall wie Kupfer, Messing, Zink, Zinn, Blei, Aluminium o.ä. bestehen. Diese Folien können gelocht sein, oder es kann stattdessen ein Drahtgeflecht verwendet werden, wobei sich diese beiden Ausführungsformen insbesondere für die negativen Elektroden eignen sollen.

Der große elektrische Widerstand der Isolierstoffsammlerschichten, der sich der erstmaligen Aufladung hemmend entgegenstellt, kann durch eine geeignete Vorbehandlung beseitigt werden, z.B. durch Anlegen einer höheren Gleichspannung als der Ladespannung. Bei Verwendung von thermoplastischen Kunststoffen als Sammlerschichtmaterial kann dies auch durch Erwärmung bis zum Erweichungspunkt der Thermoplaste geschehen. Als günstig erweist es sich, die Plus- und Minusseite des Sammlers vor dem Zusammenbau jeweils für sich entsprechend vorzubehandeln.

Schon vor inzwischen bald 50 Jahren sah Lüneburg die Eignung seines Akkus als Speicherbatterie zur Spitzendeckung und zum Belastungsausgleich von Elektrizitätswerken und als Notstromspeicher für Krankenhäuser usw. Leider läßt sich außer einem postiven Gutachten vom März 1958, das ein Sachverständiger namens Dr. Ing. Erich Marhenkel angefertigt hat, nichts mehr über diese möglicherweise sehr einfach umsetzbare Innovation finden.

 

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