Neue Grid-Batterien für erneuerbare Energien entwickelt

12.11.2019 - USA

Wie speichert man erneuerbare Energie, damit sie immer da ist, wenn man sie braucht, auch wenn die Sonne nicht scheint oder der Wind nicht weht? Riesige Batterien für das Stromnetz - sogenannte Flow-Batterien, die Strom in Tanks mit flüssigem Elektrolyten speichern - könnten die Antwort sein, aber bisher haben die Versorgungsunternehmen noch keine kostengünstige Batterie gefunden, die Tausende von Häusern über einen Lebenszyklus von 10 bis 20 Jahren zuverlässig mit Strom versorgen kann.

Nun kann eine von Forschern des U.S. Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) entwickelte Batteriemembrantechnologie auf eine Lösung hinweisen.

Wie in der Zeitschrift Joule berichtet, entwickelten die Forscher eine vielseitige und dennoch erschwingliche Batteriemembran - aus einer Klasse von Polymeren, den sogenannten AquaPIMs. Diese Polymerklasse ermöglicht langlebige und kostengünstige Grid-Batterien, die ausschließlich auf leicht verfügbaren Materialien wie Zink, Eisen und Wasser basieren. Das Team entwickelte auch ein einfaches Modell, das zeigt, wie sich verschiedene Batteriemembranen auf die Lebensdauer der Batterie auswirken, was die Forschung und Entwicklung von Flow-Batterie-Technologien in einem frühen Stadium beschleunigen soll, insbesondere bei der Suche nach einer geeigneten Membran für verschiedene Batteriechemien.

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"Unsere AquaPIM-Membrantechnologie ist gut positioniert, um den Weg zur Marktreife für Flow-Batterien zu beschleunigen, die skalierbare, kostengünstige und wasserbasierte Chemikalien verwenden", sagt Brett Helms, leitender Wissenschaftler am Joint Center for Energy Storage Research (JCESR) und Mitarbeiter des Berkeley Lab's Molecular Foundry, die die Studie leitete. "Durch den Einsatz unserer Technologie und begleitender empirischer Modelle für die Leistung und Lebensdauer der Batterie werden andere Forscher in der Lage sein, die Einsatzbereitschaft jeder einzelnen Komponente, die in die Batterie einfließt, von der Membran bis zu den Ladungsspeichermaterialien schnell zu beurteilen. Das soll Forschern und Produktentwicklern Zeit und Ressourcen sparen."

Die meisten Grid-Batteriechemikalien haben hochalkalische (oder basische) Elektroden - eine positiv geladene Kathode auf der einen Seite und eine negativ geladene Anode auf der anderen Seite. Aber die derzeit modernsten Membranen sind für saure Chemikalien wie die fluorierten Membranen in Brennstoffzellen konzipiert, nicht aber für Alkali-Durchflussbatterien.

Fluorierte Polymermembranen sind ebenfalls teuer. Laut Helms können sie 15% bis 20% der Kosten der Batterie ausmachen, die im Bereich von 300 $/kWh liegen kann.

Eine Möglichkeit, die Kosten von Flow-Batterien zu senken, besteht darin, die fluorierten Polymermembranen vollständig zu eliminieren und eine leistungsstarke und dennoch preiswertere Alternative wie AquaPIMs zu entwickeln, sagte Miranda Baran, eine wissenschaftliche Mitarbeiterin in der Forschungsgruppe von Helms und Hauptautorin der Studie. Baran ist auch Doktorand am Department of Chemistry der UC Berkeley.

Zurück zu den Grundlagen

Helms und Co-Autoren entdeckten die AquaPIM-Technologie - die für "aqueous-compatible polymers of intrinsic microporosity" steht - bei der Entwicklung von Polymermembranen für wässrige alkalische (oder basische) Systeme im Rahmen einer Zusammenarbeit mit dem Co-Autor Yet-Ming Chiang, einem leitenden Forscher am JCESR und Kyocera Professor of Materials Science and Engineering am Massachusetts Institute of Technology (MIT).

Durch diese frühen Experimente erfuhren die Forscher, dass Membranen, die mit einer exotischen Chemikalie namens "Amidoxim" modifiziert wurden, es den Ionen ermöglichten, sich schnell zwischen Anode und Kathode zu bewegen.

Später, bei der Bewertung der Membranleistung der AquaPIM-Membran und der Kompatibilität mit verschiedenen Grid-Batteriechemikalien - zum Beispiel mit Zink als Anode und einer Verbindung auf Eisenbasis als Kathode - entdeckten die Forscher, dass AquaPIM-Membranen zu bemerkenswert stabilen Alkalizellen führen.

Darüber hinaus fanden sie heraus, dass die AquaPIM-Prototypen die Integrität der ladungsspeichernden Materialien sowohl in der Kathode als auch in der Anode beibehalten. Als die Forscher die Membranen an der Advanced Light Source (ALS) des Berkeley Lab charakterisierten, fanden sie heraus, dass diese Eigenschaften für alle AquaPIM-Varianten universell sind.

Baran und ihre Mitarbeiter testeten dann, wie eine AquaPIM-Membran mit einem wässrigen alkalischen Elektrolyten funktionieren würde. In diesem Experiment entdeckten sie, dass polymergebundene Amidoxime unter alkalischen Bedingungen stabil sind - ein überraschendes Ergebnis, wenn man bedenkt, dass organische Materialien bei hohem pH-Wert typischerweise nicht stabil sind.

Diese Stabilität verhinderte, dass die Poren der AquaPIM-Membran zusammenbrachen, so dass sie im Laufe der Zeit leitfähig blieben, ohne an Leistung zu verlieren, während die Poren einer handelsüblichen Fluorpolymermembran erwartungsgemäß zusammenbrachen, was sich negativ auf ihre Ionentransporteigenschaften auswirkte, erklärte Helms.

Dieses Verhalten wurde durch theoretische Studien von Artem Baskin, einem Postdoc-Forscher, der mit David Prendergast zusammenarbeitet, der stellvertretender Direktor des Berkeley Lab's Molecular Foundry und Hauptforscher von JCESR zusammen mit Chiang und Helms ist, weiter bestätigt.

Baskin simulierte Strukturen von AquaPIM-Membranen mit Hilfe von Rechenressourcen im National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) des Berkeley Lab und stellte fest, dass die Struktur der Polymere, aus denen die Membran besteht, signifikant beständig gegen Poreneinbrüche unter sehr einfachen Bedingungen in alkalischen Elektrolyten ist.

Ein Bildschirmtest für bessere Batterien

Bei der Bewertung der AquaPIM-Membranleistung und der Kompatibilität mit verschiedenen Grid-Batteriechemikalien entwickelten die Forscher ein Modell, das die Leistung der Batterie mit der Leistung verschiedener Membranen verknüpft. Dieses Modell könnte die Lebensdauer und Effizienz einer Durchflussbatterie vorhersagen, ohne ein ganzes Gerät bauen zu müssen. Sie zeigten auch, dass ähnliche Modelle auf andere Batteriechemikalien und deren Membranen angewendet werden können.

"Typischerweise müsste man Wochen oder gar Monate warten, um herauszufinden, wie lange eine Batterie nach dem Zusammenbau der gesamten Zelle hält. Mit einem einfachen und schnellen Membran-Sieb können Sie das auf wenige Stunden oder Tage reduzieren", sagt Helms.

Die Forscher planen als nächstes, AquaPIM-Membranen in einem breiteren Spektrum von wässrigen Batteriechemikalien einzusetzen, von Metallen und anorganischen Stoffen bis hin zu organischen Stoffen und Polymeren. Sie gehen auch davon aus, dass diese Membranen mit anderen wässrigen alkalischen Zink-Batterien kompatibel sind, einschließlich Batterien, die entweder Sauerstoff, Manganoxid oder metallorganische Strukturen als Kathode verwenden.

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Originalveröffentlichung

Miranda J. Baran et al.; "Design Rules for Membranes from Polymers of Intrinsic Microporosity for Crossover-free Aqueous Electrochemical Devices"; Joule; 2019

https://www.chemie.de/news/1163642/neue-grid-batterien-fuer-erneuerbare-energien-entwickelt.html

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Miranda J. Baran et al.; "Design Rules for Membranes from Polymers of Intrinsic Microporosity for Crossover-free Aqueous Electrochemical Devices"; Joule; 2019

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