20.10.2020 - Linköping University

LiU-Forscher entwickeln als erste eine organische Batterie

Ionenselektive Elektrokatalyse an leitenden Polymerelektroden - Verbesserung der Leistung von Redox-Flow-Batterien

Forscher des Labors für organische Elektronik der Universität Linköping (LiU) haben zum ersten Mal eine organische Batterie präsentiert. Es handelt sich um einen Typ, der als "Redox-Flow-Batterie" bekannt ist, mit einer großen Kapazität, die zur Speicherung von Energie aus Windturbinen und Solarzellen sowie als Stromspeicher für Autos verwendet werden kann.

Redox-Flow-Batterien sind stationäre Batterien, bei denen sich die Energie im Elektrolyten, ausserhalb der Zelle selbst, wie in einer Brennstoffzelle befindet. Sie werden oft mit der Vorsilbe "eco" vermarktet, da sie die Möglichkeit eröffnen, überschüssige Energie z.B. von Sonne und Wind zu speichern. Ausserdem scheint es möglich zu sein, sie unbegrenzt oft wieder aufzuladen. Allerdings enthalten Redox-Flow-Batterien oft Vanadium, ein knappes und teures Metall. Der Elektrolyt, in dem die Energie in einer Redox-Flow-Batterie gespeichert wird, kann auf Wasserbasis sein, was die Batterie sicher in der Anwendung macht, aber zu einer geringeren Energiedichte führt.

Mikhail Vagin, leitender Forschungsingenieur, und seinen Kollegen am Laboratorium für organische Elektronik, Campus Norrköping, ist es nun gelungen, nicht nur einen wasserbasierten Elektrolyten, sondern auch Elektroden aus organischem Material herzustellen, was die Energiedichte erheblich erhöht. Auf diese Weise ist es möglich, vollständig organische Redox-Flow-Batterien für die Speicherung von z.B. Sonnen- und Windenergie herzustellen und Lastschwankungen im elektrischen Versorgungsnetz auszugleichen.

Sie haben für die Elektroden das leitende Polymer PEDOT verwendet, das sie dotiert haben, um entweder positive Ionen (Kationen) oder negative Ionen (Anionen) zu transportieren. Der von ihnen entwickelte Elektrolyt auf Wasserbasis besteht aus einer Lösung von Chinonmolekülen, die aus forstbasierten Materialien extrahiert werden können.

"Chinone können aus Holz gewonnen werden, aber hier haben wir das gleiche Molekül zusammen mit verschiedenen Varianten des leitenden Polymers PEDOT verwendet. Es stellt sich heraus, dass sie hochgradig miteinander kompatibel sind, was wie ein Geschenk der Natur ist", sagt Viktor Gueskine, leitender Forschungsingenieur im Laboratorium für organische Elektronik und einer der Autoren des Artikels, der jetzt in Advanced Functional Materials veröffentlicht wurde.

Die hohe Kompatibilität bedeutet, dass die PEDOT-Elektroden den Chinonmolekülen helfen, zwischen ihrem oxidierten und ihrem reduzierten Zustand umzuschalten und auf diese Weise einen Fluss von Protonen und Elektronen zu erzeugen.

"Normalerweise ist es schwierig, den Ionenprozess zu kontrollieren, aber hier haben wir es geschafft. Wir nutzen auch ein grundlegendes Phänomen innerhalb der Elektrokatalyse, bei dem ein spezielles Ion in Lösung, in diesem Fall Chinon-Ionen, in Elektrizität umgewandelt wird. Das Phänomen wird von uns als ionenselektive Elektrokatalyse konzipiert und existiert wahrscheinlich auch in anderen Arten von Membranspeichern wie Batterien, Brennstoffzellen und Superkondensatoren. Dieser Effekt ist bisher noch nie diskutiert worden. Wir haben ihn zum ersten Mal bei Redox-Flow-Batterien gezeigt", sagt Mikhail Vagin.

Die organischen Redox-Flow-Batterien haben zwar immer noch eine geringere Energiedichte als Batterien, die Vanadium enthalten, aber sie sind extrem billig, vollständig recycelbar, sicher und perfekt geeignet, um Energie zu speichern und Lastschwankungen im elektrischen Versorgungsnetz auszugleichen. Vielleicht werden wir in Zukunft eine organische Redox-Flow-Batterie zu Hause haben, als Stromspeicher für das Elektroauto.

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