Forschung 31.05.2019, 07:00 Uhr

Flussbatterien mit längerer Lebensdauer

US-Wissenschaftler haben die Lebensdauer von Redox-Flow-Batterien deutlich erhöht, indem sie herausfanden, welche Schritte zur Zersetzung aktiver Chemikalien führen. Gleichzeitig steigerten sie die Leistung durch bessere Moleküle.

Saubere Energieformen

Saubere Energieformen sind ohne Energiespeicher nicht möglich. Bessere Flussbatterien könnten diese Aufgabe übernehmen.

Foto: LeoWolfert / Panthermedia.net

Flussbatterien gelten als kostengünstigere Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien, um große Energiemengen zu speichern. Sie könnten der Solar- oder Windenergie zum Durchbruch verhelfen. Problematisch war bisher die Langzeitbeständigkeit der verwendeten organischen Verbindungen. Zum Einsatz kommen Dihydroxyanthrachinone (DHAQ). Diese Moleküle lassen sich bei Ladezyklen oxidieren beziehungsweise reduzieren. Allerdings zersetzen sich DHAQ im Laufe der Zeit und verringerten den Nutzen der Batterie: ein Problem, das kommerziellen Anwendungen im Wege steht.

Forscher an der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences in Cambridge haben nicht nur herausgefunden, wie sich die Moleküle zersetzen. Ihnen gelang es, die Zersetzung zu verlangsamen und sogar umzukehren, ohne auf preisgünstige Chemikalien zu verzichten. Sie entwickelten aber auch bessere Chinone.

Chinone zersetzen sich unabhängig von der Zahl an Ladezyklen

Zuerst glaubten die Forscher, dass die Lebensdauer ihrer eingesetzten Moleküle davon abhängt, wie oft die Batterie geladen und entladen wurde – wie bei den bekannten Lithium-Ionen-Akkus. Allerdings fanden sie heraus, dass sich Anthrachinone im Laufe der Zeit langsam zersetzen – unabhängig davon, wie oft eine Batterie im Labor tatsächlich eingesetzt wurde. Entgegen ihren ersten Vermutungen war die Zahl an Ladezyklen irrelevant.

„Wir haben festgestellt, dass Anthrachinonmoleküle, bei denen zwei Sauerstoffatome in einen Kohlenstoffring eingebaut sind, dazu neigen, eines ihrer Sauerstoffatome zu verlieren“, erklärt Roy Gordon. Der Professor für Chemie und Materialwissenschaften ergänzt: „Sobald dies geschieht, beginnt eine Kettenreaktion von Ereignissen, die zu einem irreversiblen Verlust von Material führt.“

Redox-Flow-Akkus auf dem Weg zur kommerziellen Nutzung

Aus den Experimenten entwickelten sie zwei Möglichkeiten, um unerwünschte Kettenreaktion zu vermeiden.

  • Setzten Wissenschaftler Anthrachinonmoleküle zum richtigen Zeitpunkt im Lade- beziehungsweise Entladevorgang dem Luftsauerstoff aus, regenerierten sich diese. In einem einzigen Zyklus ließen sich 70 % der verlorenen Kapazität der Batterie wieder zurückgewinnen.
  • Außerdem stellten Gordon und Kollegen fest, dass ein Überladen der Batterie Zersetzungsvorgänge der Anthrachinone beschleunigt. Unter optimalen Bedingungen bei der Ladung verlängerte sich die Lebensdauer um den Faktor 40.

Jetzt wollen die Wissenschaftler herausfinden, inwieweit man beide Ansätze kombinieren kann, um optimale Batterien herzustellen. „Diese Arbeit stellt einen bedeutenden Fortschritt in Richtung kostengünstiger, langlebiger Durchflussbatterien dar“, sagt Imre Gyuk, Direktor des Office of Electricity Storage des US-Energieministeriums. „Solche Geräte werden benötigt, damit das Stromnetz immer mehr grüne, aber variabel erneuerbare Energie aufnehmen kann.“ DHAQ gehört zu den günstigsten Industriechemikalien und kann in großem Maßstab hergestellt werden.

Das „Methusalem-Molekül“ 2,6-DBEAQ altert kaum

Die Forscher sehen aber noch eine weitere Möglichkeit, um bessere Redox-Flow-Batterien zu konstruieren. DHAQ ist zwar preisgünstig, aber keineswegs das ideale Molekül. Ein Blick in die Natur zeigt, dass bei der Photosynthese und bei der Zellatmung Elektronentransfers ebenfalls über Chinone erfolgen. Nur sind diese Moleküle deutlich stabiler als DHAQ. Aufgrund von Computersimulationen stellten sie im Labor ein anderes Chinon-Derivat mit der Abkürzung 2,6-DBEAQ her und testeten es unter realen Bedingungen.

In Experimenten lag der Verlust von 2,6-DBEAQ bei unter 0,01 % pro Tag beziehungsweise unter 0,001 % pro Lade- / Entladezyklus. Das entspricht weniger als 3 % pro Jahr bei normaler Nutzung. Die Entwickler schreiben, mit ihrem nahezu unsterblichen „Methusalem-Molekül“ wären Zehntausende Zyklen möglich. Das Chinon erwies sich auch als gut wasserlöslich: ein Aspekt, um mehr Energie pro Raumeinheit zu speichern. Es arbeitet in einem schwach alkalischen, wenig aggressiven Elektrolyten. Preisgünstige Materialien für Membranen verringern die Kosten pro Batterie ebenfalls. Da es noch keine Massenproduktion gibt, bleibt es derzeit bei Schätzungen. Pro gespeicherter Kilowattstunde geben die Entwickler 39 bis 61 US-Dollar (etwa 35 bis 55 Euro) an. Vergleichbare Systeme auf der Basis von Vanadium liegen bei 160 US-Dollar (etwa 144 Euro) pro Kilowattstunde.

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