Sowohl bei Nickel-Metall-Hydrid- als auch Metall-Luft-Batterien eröffnet Metallschaum Potenzial

Sowohl bei Nickel-Metall-Hydrid- als auch Metall-Luft-Batterien eröffnet Metallschaum Potenzial für eine höhere Energiedichte und Leistungssteigerung. (Bild: Alantum Europe GmbH)

München (rm). Einsatzmöglichkeiten bestehen unter anderem als Gasdiffusionslage in Metall-Luft-Batterien oder Brennstoffzellen oder als Current-Collector in Supercapacitoren. Seine Einsatzflexibilität erhält der Metallschaum durch einen speziellen Herstellungsprozess. Dabei entstehen Nickel-Schaummatten mit offenporiger Struktur und hohlen Stegen. Die Porengröße ist mit 450, 580, 800 und 1200 µm genau definiert. Anschließendes Glühen hält den Werkstoff flexibel und frei formbar.

Eingesetzt wird der elektrisch leitende Metallschaum in großen Mengen als Kathode in Nickel-Metall-Hydridbatterien (NiMH-Akkus), die unter anderem bei Elektroautos und Hybridfahrzeugen Stand der Technik sind. Bei dieser Anwendung eröffnet der Nickel-Metallschaum noch Optimierungspotenzial zur Steigerung der Energiedichte. Und zwar durch eine Beschichtung mit Grafit oder anderen für die Energiespeicherung geeigneten pulverförmigen Materialien, die in einem speziellen Sinterprozess auf die offenporige Struktur aufgebracht werden.

Um Verbesserungen bei Reichweite und Beschleunigung von Fahrzeugen zu erzielen, läuft die Forschung im Bereich Batterietechnologie weltweit auf Hochtouren. Ein vielversprechender Ansatz sind Metall-Luft-Batterien. Deren Leistung lässt sich mit dem porösen Werkstoff ebenfalls verbessern. Als Gas-Diffusionslage optimiert der Schaum die Anströmung der Metall-Elektrode, zum Beispiel Zink, mit Sauerstoff. Dies führt zu einer gleichmäßigeren Energieproduktion und Leistungsabgabe.

Für diesen Einsatz steht der Werkstoff als reiner Nickelschaum und als Metalllegierungsschaum bereit. Letzterer wird nach der Herstellung in einem stabilen Prozess mit hochlegierten, anwendungsoptimierten Metallpulvern beschichtet. Damit können beispielsweise die Beständigkeit gegenüber aggressiven Atmosphären und Korrosion sowie eine Temperaturbeständigkeit bis 1 000 °C einstellt werden.

Einen Beitrag zur Elektromobilität können auch Superkondensatoren leisten. Denn sie sind in der Lage, die beim Beschleunigen und Bremsen auftretenden Spannungsspitzen auszugleichen und damit die Lebensdauer von Batterien und Brennstoffzellen zu verlängern. Die so genannten Supercaps können Energie schneller abgeben und aufnehmen als Batterien, allerdings haben sie nicht eine so hohe Energiedichte.

Ob diese sich durch den Einsatz von Schaummaterial erhöhen lässt, war Bestandteil des Forschungsprojekts „Alternative Energy Technologies for Transportation (AETT)“, das die Fraunhofer-Gesellschaft gemeinsam mit der Universität Michigan und dem Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) sowie der Alantum Europe als Schaumlieferant durchführte. Der Metalllegierungsschaum diente dabei als Current-Collector (Stromsammler).

Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren, bei denen Kohlenstoff auf eine Folie aufgebracht wird, wurde der Schaum mit Molybdän- und Vanadium-Nitrit als aktivem Material infiltriert. Diese Materialien haben im Vergleich zu Kohlenstoff eine zwei- bis dreifach höhere Energiedichte. Durch die spezielle Struktur und große Oberfläche des Schaumes gelang es, so viel aktives Material aufzubringen, dass auch eine Erhöhung der Energiedichte des Bauteils Supercap um den Faktor zwei bis drei möglich ist.

Mit Vorteilen kann der Metalllegierungsschaum auch beim Einsatz als Gasdiffusionslage in Brennstoffzellen aufwarten. Hier ist es einerseits eine optimierte Gleichverteilung des Gases und die daraus resultierende, höhere Leistungsdichte über die gesamte Membranfläche. Andererseits kann der Metallschaum an die Bipolarplatte angesintert werden, so dass eine direkte elektrische Verbindung entsteht. Ein weiteres Plus ist, dass der Metalllegierungsschaum der üblicherweise sehr aggressiven Atmosphäre in Brennstoffzellen widersteht. Für den Einsatz als Gasdiffusionslage lässt sich der Werkstoff mit den gängigen Legierungen wie der Edelstahllegierung 316L und CroFer ebenso wie mit neuen, anwendungsoptimierten Metallpulvern beschichten.

Rund 4 Mio. m² Nickelschaum produziert Alantum derzeit in China pro Jahr. Hinzu kommen 500.000 m² Metalllegierungsschaum, die in Korea hergestellt werden. Um den Werkstoff für Anwendungen in der Elektromobilität weiter zu optimieren, arbeitet das Unternehmen mit dem Fraunhofer IFAM in Dresden zusammen. Dort steht auch ein Forschungslabor zur Verfügung, in dem Versuche durchgeführt und Muster angefertigt werden können.