Polymer-Innovation: Energiespeicher aus Faserverbundstoffen

Elektronenmikroskopische Aufnahme eines Auszugsversuchs einer einzelnen Faser aus einem Matrixpolymertropfen (Foto: BAM)

Viele Batterien sind sperrig und schwer. Warum nicht ein vorhandenes Gehäuse, etwa die Autokarosse als Energiespeicher nutzen? Das dachten sich auch die Mitglieder des europäisches Forschungsverbunds StorAGE und entwickelten einen flexibel gestaltbaren Stromspeicher aus Faserverbundwerkstoffen. Das Vorhaben ist nun nach dreieinhalb Jahren Laufzeit mit ersten Ergebnissen beendet worden.

So hat der Autohersteller Volvo ein Versuchsfahrzeug mit dem neuen Verbundwerkstoff ausgestattet. Das neue Material befindet sich in der Motorabdeckung und im Kofferraumdeckel und ergänzt die Autobatterie. Beteiligt war an diesem Projekt von neun Forschungsinstituten und Industriepartnern - unter Leitung des Londoner Imperial College - auch die BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung. An der BAM wurden die mechanischen Versuche an den Energiespeichern durchgeführt. Zudem wurde die Entwicklung eines leitfähigen Epoxidharzes für Faserverbundwerkstoffe begleitet.

Und so funktioniert der neue Energiespeicher: In der Motorabdeckung oder dem Kofferraumdeckel aus Carbonfasern befinden sich Superkondensatoren. Superkondensatoren sind eine Weiterentwicklung herkömmlicher Kondensatoren, wie sie etwa bereits in Fotoblitzen benutzt werden. Sie sind sehr schnell aufladbar, langlebig und funktionieren auch bei minus 40 Grad Celsius.

Ein Carbonfaser-Verbundwerkstoff bildet die Elektroden. Beschichtet werden die Carbonfasern mit noch kleineren Fasern, so genannten Carbon-Nanotubes (CNT). Zusätzlich eingebrachte Lithiumatome erhöhen die Leitfähigkeit. Die CNT sind eine spezielle Form des Kohlenstoffs. Diese Röhrchen haben nur einen Durchmesser von wenigen Nanometern und Längen zwischen zwei und 50 Mikrometern. CNT sind steifer und fester als Stahl, können den Strom fast perfekt leiten. Sie sollen die Festigkeit des bei Faserverbundwerkstoffen eingesetzten klebstoffartigen, zum Teil sogar flüssigen Matrix-Werkstoffes erhöhen. Die Untersuchungen der BAM zeigten allerdings, dass Verstärkungen mit CNT und einem damit verbundenen Anstieg der Elektrodenoberfläche noch zu keiner verbesserten Leistung führten.

Umschlossen wird der Verbund aus Carbonfasern und CNT von einem Polymerharz. Als Isolationsschicht zwischen den energiespeichernden Schichten werden Glasfasermatten verwendet. Die BAM koordinierte verschiedene Untersuchungen zur Selbstentladung, zum Elektrolytzerfall oder zur Stabilität des Materials. Zum Einsatz kam unter anderem der an der BAM entwickelter Einzelfaserauszugsversuch („pull out test“), mit dem die Haftung einzelner Fasern zu dem sie umgebenden Material getestet wird. Faserverbundwerkstoffe enthalten viele Faserbündel, die jeweils mehrere Tausend Einzelfasern umfassen. Um aus diesem Gewebe stabile Werkstoffe zu machen, werden sie mit einem aushärtbaren Kunststoff, zum Beispiel Epoxidharz, getränkt.

Die beim Einzelfaserauszugsversuch untersuchten Fasern können sehr dünn sein. So ist eine Carbonfaser nur etwa fünf Mikrometer dick, also rund 20 mal dünner als ein menschliches Haar und mit dem Auge fast nicht zu erkennen. Die Faser wird in einen Matrixpolymertropfen eingebettet und auf der anderen Seite mit Klebstoff gehalten. Ein Lichtmikroskop erlaubt die Verfolgung des Rissvorgangs während der Messung. Wie viel Kraft zwischen dem Kunststoff und der Faser übertragen wird, ist dann ein Maß für die Ankopplung. Für das Projekt war es wichtig sicherzustellen, dass die neuartigen leitfähigen Harzsysteme gut an den Fasern haften – und der Verbundwerkstoff somit stabil genug für den Einbau in ein Automobil ist.

Generell funktioniere die Energiespeicherung und die bisherigen Resultate seien vielversprechend, sagt Gerhard Kalinka, Ingenieur an der BAM. Man stehe allerdings noch am Anfang der Entwicklung, und nicht alle Fragen seien abschließend geklärt. Zum Beispiel, wie sicher das System ist, wenn es zu Beschädigungen kommt. Beim Prototyp von Volvo kann die Autobatterie teilweise ersetzt werden, bis man allerdings ein komplettes Elektroauto auf diese Weise mit Energie versorgen kann, ist noch etliche Forschung notwendig. Kalinka sieht aber vielversprechende Anwendungen auch bei Computern oder Handys. Dort könnte langfristig der herkömmliche Akku verschwinden und das Gehäuse den nötigen Strom liefern. Neben der Gewichtsersparnis wäre ein weiterer Vorteil von Super-Kondensatoren, dass das Aufladen in wenigen Minuten möglich sein würde. GD

Quelle

Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)