Как в электроэнергетике, так и в электромобилях: современные аккумуляторные системы состоят из большого количества связанных друг с другом аккумуляторных ячеек — что имеет недостатки с точки зрения эффективности и производства. Биполярная конструкция аккумуляторной батареи позволяет складывать ячейки в компактную стопку. Новые гибкие и чрезвычайно тонкие биполярные пластины позволяют сделать производство аккумуляторных батарей более дешевым. Свою разработку ученые из научно-исследовательского института охраны окружающей среды, охраны труда и энергетики Фраунгофера UMSICHT представили на предварительном просмотре на выставке Hannover Messe 24 января 2019 года.
Устройство стандартных аккумуляторных батарей чрезвычайно сложное: обычно они состоят из нескольких отдельных ячеек, соединенных кабелями. Это не только дорого, но и способствует возникновению горячих точек, то есть таких зон, в которых кабели нагреваются слишком сильно. Кроме того, каждая из ячеек должна быть упакована. Поэтому большая часть батареи состоит из неактивного материала, который ничего не дает для увеличения её мощности. Биполярные батареи должны решить эту проблему: в них ячейки соединяются друг с другом с помощью плоских биполярных пластин. Однако здесь появляются другие проблемы. Так как биполярные пластины либо изготавливаются из металла и поэтому подвержены коррозии. Либо из смеси пластмассы и углерода, но их толщина при этом должна быть не менее нескольких миллиметров.
Исследователи из UMSICHT в Оберхаузене разработали альтернативу. «Мы изготавливаем биполярные пластины из электропроводящих полимеров», — говорит д-р инженер Анна Греве, начальник отдела в институте Фраунгофера UMSICHT. «Используя такой материал, мы можем изготавливать очень тонкие пластины и экономить более 80% материала по сравнению с обычными ячейками, соединенными кабелем». Кроме того, этот материал обладает многими другими преимуществами. С одной стороны, он не подвергается коррозии. Кроме того, позже ему можно придать любую другую форму. Так, например, из них можно накладывать друг на друга, что важно для топливных элементов. И: новые биполярные пластины можно сваривать друг с другом, чтобы вся батарейная система была абсолютно герметичной. В отличие от этого, обычные биполярные пластины непригодны для сварки из-за термической и механической нагрузки материала во время производства. Чтобы их соединить друг с другом, нужны уплотнения, которые не будут пропускать через место соединения ни газы, ни жидкости. Однако уплотнения быстро становятся пористыми, и кроме того, для них нужно место. Еще одно преимущество нового материала: свойства биполярных пластин можно менять в зависимости от требований. «Пластины можно изготавливать как достаточно гибкими, чтобы их можно было обернуть вокруг пальца, так и жёсткими», — говорит Греве.
Главной задачей ученых стала разработка материала и процесса производства. «Мы используем коммерчески доступные полимеры и графиты. Но секрет кроется в рецепте», — говорит Греве. Поскольку материал состоит из примерно 80% графита и только на примерно 20% из пластика, то процессы обработки имеют мало общего с обычной обработкой пластмасс. Исследовательская группа выбрала процесс рулонной печати, который обеспечивает экономически эффективное производство, и усовершенствовала его большим количеством ноу-хау. При этом внутренний материал в производимых пластинах должен распределяться равномерно, с другой стороны, пластинки должны быть устойчивыми к механическим воздействиям и полностью герметичными. Это было нелегко из-за первоначальной структуры материалов. Но ученые сумели справиться с этой задачей. «Мы смогли выполнить все требования в рамках одного технологического процесса. Теперь пластины можно использовать в таком виде, как они поступают их установки», — говорит Греве. Еще одно преимущество этого метода: пластины можно изготавливать в любых размерах.
Исследователи уже могут производить соответствующие образцы новых биполярных пластин: вместе с SAUERESSIG GmbH + Co. KG они преобразовали процесс производства биполярных пластин для топливных элементов в один непрерывный процесс. Проект финансировался Федеральным министерством экономики и энергетики BMWi. На предварительном просмотре Hannover Messe 24 января 2019 года ученые представили новый материал в полном ассортименте — от очень тонких гибких до твердых пластин. На Ганноверской ярмарке с 1 по 5 апреля 2019 года Греве и ее команда представят посетителям биполярную пластину площадью 3,2 кв. м, которая позволяет изготавливать крупногабаритные окислительно-восстановительные батареи обратного потока (зал 2, стенд C22).
Источник: https://www.fraunhofer.de/de/presse/presseinformationen/2019/januar/flexible-bipolarplatten-aus-polymeren-ermoeglichen-kompakte-batterien.html