Redox-Flow-Batterien 05.05.2022, 07:00 Uhr

Endlich Lösung für Langzeit-Energiespeicher in Sicht

Britische Forschende haben mit einer verhältnismäßig einfachen Lösung einen riesigen Schritt beim Thema Energiespeicher gemacht. Ihr Ansatz könnte zu einem großvolumigen Akku für erneuerbare Energien führen.

Batterie-Anlage

Steckt in diesem Konstrukt der Energiespeicher der Zukunft?

Foto: Imperial College London

Die Forschung steckt viel Hoffnung in Redox-Flow-Batterien. Die elektrische Energie wird dabei in chemischen Verbindungen gespeichert. Das Speichermedium sind also flüssige Elekrolyte. Dabei wird die Menge der speicherbaren Energie, also die Leistung der Batterie, durch das Volumen des Elektrolyten bestimmt. Theoretisch sind daher Skalierungen gut umsetzbar. Das stößt allerdings auf ein Problem in der Praxis: In herkömmlichen Redox-Flow-Batterien wird das Element Vanadium eingesetzt. Das ist zum einen teuer und stammt zum anderen in erster Linie aus China und Russland. Mit dem Nachschub könnte es also schwierig werden. Britische Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben wesentliche Elemente im Aufbau verändert und dadurch einen gewaltigen Schritt nach vorne gemacht.

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Membran schränkt Leistung der Polysulfid-Luft-Redox-Flow-Batterie ein

Das Team unter der Leitung der Professoren Nigel Brandon und Anthony Kucernak hat verschiedene Materialien getestet, um eine Lösung zu finden, die günstiger und besser verfügbar ist als Vanadium. Im Ergebnis haben die Forschenden eine Polysulfid-Luft-Redox-Flow-Batterie (PSA RFB) entwickelt, die nicht nur eine, sondern zwei Membranen hat.

Für den einen Elektrolyten haben sie also eine Flüssigkeit eingesetzt und für den anderen ein Gas. Als Gas wählten sie in einer alkalischen Lösung gelösten Schwefel – Polysulfid – und Luft. Allerdings ist die Leistung der Polysulfid-Luft-Batterien eingeschränkt. Der Grund dafür ist die Membran. Sie lässt die chemischen Reaktionen nicht vollständig zu und verhindert zudem, dass Polysulfid in den anderen Teil der Zelle übertritt.

„Wenn das Polysulfid auf die Luftseite übertritt, verliert man Material von einer Seite, was die dort stattfindende Reaktion reduziert und die Aktivität des Katalysators auf der anderen Seite hemmt. Dadurch verringert sich die Leistung der Batterie“, sagt Mengzheng Ouyang vom Imperial’s Department of Earth Science and Engineering. Aber die Forschenden fanden eine Lösung.

Doppelmembran der Redox-Flow-Batterie ermöglicht anderes Material

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler kamen auf die Idee, das Polysulfid und die Luft durch zwei Membranen zu trennen. Zwischen den beiden Membranen fügten sie eine Natriumhydroxidlösung ein. Durch dieses System war es ihnen möglich, alternative Materialien zu verwenden – die günstig und gut erhältlich sind. Grundsätzlich lässt sich dieses Konzept mit unterschiedlichen Materialkombinationen umsetzen.

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Die verbesserten Optionen für die Herstellung des neuartigen Akkus sind nur die eine Seite. Gleichzeitig ist die Leistung höher als bei herkömmlichen Batterien dieser Art. Einen Blick haben die Forschenden zudem auf die Kosten geworfen. Nach ihren Berechnungen dürften die Energiekosten, also der Preis der Speichermaterialien im Verhältnis zur gespeicherten Energiemenge, bei etwa 2,5 US-Dollar pro Kilowattstunde (etwa 2,37 Euro) liegen. Das klingt akzeptabel, aber bei den Stromkosten wird deutlich, dass Nachbesserungen erfolgen müssen. Sie lägen bei 1.600 Dollar (etwa 1.518 Euro) pro Kilowattstunde. Damit ist das Verhältnis von Lade- und Entladerate zum Preis der Membranen und Katalysatoren in der Zelle beschrieben. In der Praxis wäre das zu viel.

Forschende haben bereits ein Spin-off für die Produktion und Vermarktung gegründet

„Unser Doppelmembran-Ansatz ist sehr spannend, da er viele neue Möglichkeiten eröffnet, sowohl für diese als auch für andere Batterien. Um dieses Verfahren für die Speicherung in großem Maßstab kostengünstig zu machen, wäre eine relativ bescheidene Verbesserung der Leistung erforderlich, die durch Änderungen am Katalysator zur Erhöhung seiner Aktivität oder durch weitere Verbesserungen an den verwendeten Membranen erreicht werden könnte.“ Davon ist Nigel Brandon, Dekan der Fakultät für Ingenieurwissenschaften, überzeugt.

Das Imperial-Team arbeitet bereits daran, die Leistung ihrer neuen Redox-Flow-Batterie soweit zu verbessern, dass auch das Preis-Leistungs-Verhältnis passt. Wie sehr die Forschenden an ihre Entwicklung glauben, beweist RFC Power Ltd. Bei dem jungen Unternehmen handelt es sich um eine Ausgründung der Hochschule. Sie soll auf Grundlage der Forschungsergebnisse Langzeitspeicher für erneuerbare Energien bis zu Industriereife entwickeln.

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Ein Beitrag von:

  • Nicole Lücke

    Nicole Lücke macht Wissenschaftsjournalismus für Forschungszentren und Hochschulen, berichtet von medizinischen Fachkongressen und betreut Kundenmagazine für Energieversorger. Sie ist Gesellschafterin von Content Qualitäten. Ihre Themen: Energie, Technik, Nachhaltigkeit, Medizin/Medizintechnik.

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