Aufbau einer skalierbaren wasserbasierten Durchflussbatterie

Ungiftige und skalierbare Flussbatterien auf Wasserbasis wären eine gute Lösung für die Speicherung erneuerbarer Energie in städtischen Gebieten – wenn da nicht ihre sehr geringe Energiedichte wäre. Abhilfe will Empa-Forscher David Reber mit cleverem Materialdesign schaffen.

Zwei farbige Flüssigkeiten sprudeln durch Röhren: Sieht so die Batterie der Zukunft aus? Dieser Frage will Empa-Forscher David Reber in den nächsten vier Jahren mit Unterstützung eines Ambizione-Stipendiums des Schweizerischen Nationalfonds (SNF) nachgehen.

Sogenannte Redox-Flow-Batterien sind seit den 1970er Jahren bekannt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien speichern sie Energie nicht in festen Elektroden, sondern in Tanks mit flüssigen Elektrolytlösungen. Der Lade- und Entladevorgang findet nicht in den Tanks selbst statt; Stattdessen werden die Elektrolyte durch eine elektrochemische Zelle gepumpt.

Für Handys, Laptops oder Autos sind Flüssigbatterien unpraktisch. Für stationäre Speicherlösungen sind sie jedoch sehr vielversprechend. Da die Energie außerhalb der eigentlichen Zelle gespeichert wird, können Flow-Batterien von einer einfachen und gezielten Skalierung profitieren. Eine größere elektrochemische Zelle beschleunigt das Laden und Entladen der Batterie, größere Elektrolyttanks ermöglichen die Speicherung von mehr Energie.

„Da wir immer mehr erneuerbare Energien nutzen, werden wir Energiespeicher in großem Maßstab benötigen – auch in städtischen Gebieten“, sagt Reber. Ein weiterer Punkt für Flow-Batterien: Werden wasserbasierte Elektrolyte verwendet, sind diese im Gegensatz zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien grundsätzlich nicht brennbar.

Ausgelagerte Energiedichte

Dennoch hat sich die Technologie noch nicht durchgesetzt. Reber kennt das Hauptproblem: „Flow-Batterien haben eine rund zehnmal geringere Energiedichte als Batterien aus festen Speichermaterialien“, erklärt er. Je mehr Speichermaterial im Elektrolyten gelöst werden kann, desto höher ist die Energiedichte einer Flow-Batterie. „Allerdings verdickt sich die Lösung bei hohen Konzentrationen und man braucht viel mehr Energie, um sie durch die Zelle zu pumpen“, sagt der Forscher.

Genau dieses Problem will Reber nun in seiner Arbeit im Empa-Labor „Materials for Energy Conversion“ lösen – mit einem ungewöhnlichen Ansatz. Während bei den meisten Projekten zu Flow-Batterien eine bessere Löslichkeit der Speichermaterialien im Vordergrund steht, will er die Energiespeicherung vollständig von der Elektrolytlösung entkoppeln. „Meine Vision ist es, einen Hybrid aus einer Art Flow-Batterie und einer Lithium-Ionen-Batterie zu entwickeln“, sagt er. Dafür will Reber dem Tank der Flow-Batterie feste Speichermaterialien hinzufügen, wie sie beispielsweise in Handy-Akkus zum Einsatz kommen. „Wenn das gelöste Material und das feste Speichermaterial genau aufeinander abgestimmt sind, können sie Energie untereinander übertragen“, erläutert Reber. „Dadurch lässt sich die Skalierbarkeit von Flow-Batterien mit der hohen Energiedichte von Batterien mit festen Speichermaterialien kombinieren.“

Gesucht: Geeignete Materialien

Doch zunächst muss der Forscher geeignete Materialpaare finden, die den Energieaustausch ermöglichen und gleichzeitig über einen längeren Zeitraum stabil bleiben. „Idealerweise sollte eine Redox-Flow-Batterie etwa 20 Jahre lang funktionieren“, sagt er.

Ob ein Materialpaar zusammenpasst, hängt vom sogenannten Redoxpotential der Stoffe ab: bei welcher Spannung sie Elektronen abgeben oder aufnehmen. „Ich habe bereits mehrere mögliche Paare im Kopf“, sagt Reber. Und wenn ein vielversprechendes Paar nicht ganz zusammenpasst, können seine Redoxpotentiale durch bestimmte chemische Veränderungen manipuliert werden. Eine von Rebers Ideen besteht darin, als gelöstes Speichermaterial ein Chelat zu verwenden: ein vielarmiges organisches Molekül, das sich um ein Metallion „wickelt“. Je nachdem, wie viele Arme das organische Molekül – der Ligand – hat, verändert sich das Redoxpotential. Reber forschte bereits während seiner Postdoktorandenzeit an der University of Colorado Boulder an Chelat-basierten Redox-Flow-Batterien, wofür er auf der Jahrestagung der University of Colorado Boulder den renommierten Battery Division Postdoc Award erhalten wird Elektrochemische Gesellschaft im Oktober in Göteborg.

Am Ende seiner vierjährigen Ambizione-Förderzeit hofft Reber auf eine gut funktionierende Batterie mit zusätzlichem Feststoffspeicher. „Wenn dieser Ansatz funktioniert, sind die möglichen Anwendungen sehr vielfältig“, sagt er. Beispielsweise ließen sich kompakte Flow-Batterien mit flexiblem Formfaktor viel einfacher in städtische Gebiete integrieren. „Alles, was dazu nötig wäre, wären Pumpen und ein paar Rohre“, fügt der Forscher hinzu.

Von ANNA ETTLIN, Ursprünglich veröffentlicht von Empa, die Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt