13.04.2021 - Universität Bayreuth

Auf dem Weg zu „grünen“ Flussbatterien

„Unser Ziel ist es, auf der Grundlage von Eisen umweltfreundliche und hocheffiziente Flussbatterien zu entwickeln"

Die langfristige Speicherung der aus Sonne und Windkraft gewonnenen Energie ist für das Gelingen der Energiewende von zentraler Bedeutung. Flussbatterien (Redox-Flow-Batterien) haben sich als eine wirtschaftlich und ökologisch interessante Form der Energiespeicherung erwiesen. Ein neues Forschungsprojekt von Prof. Dr. Birgit Weber an der Universität Bayreuth wird nun auf eine Optimierung dieses Batterietyps hinarbeiten. Das Ziel ist es, den Wirkungsgrad und die Speicherkapazität umweltfreundlicher Flussbatterien auf der Basis von Eisen deutlich zu steigern. Das Vorhaben wird von der VolkswagenStiftung aus dem Programm „Experiment!“ für anderthalb Jahre mit rund 120.000 Euro gefördert.

Mit ihrer Förderinitiative „Experiment!“ unterstützt die VolkswagenStiftung die Startphase von Projekten, in denen neue und ungewöhnliche Forschungsideen erprobt werden. Im Erfolgsfall bieten die Projekte eine wertvolle Grundlage für Innovationen in wichtigen Bereichen von Wirtschaft und Gesellschaft, nicht zuletzt im Energiesektor.

Flussbatterien weisen im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien, die mit festen Elektrolyten arbeiten, zahlreiche Vorteile auf: Sie haben eine relativ hohe Lebensdauer und setzen keine umweltschädlichen Substanzen frei. Zudem macht es der modulare Aufbau der Flussbatterien möglich, die Energiespeicherung von Lade- und Entladevorgängen räumlich zu entkoppeln. Grundsätzlich lassen sich mit Flussbatterien sehr hohe Speicherkapazitäten aufbauen, obwohl die Energiedichte in den flüssigen Elektrolyten gering ist. Flussbatterien, in deren Elektrolytbehältern sich gelöstes Vanadium befindet, haben sich in den letzten Jahren als eine im Prinzip hochattraktive Speichertechnologie erwiesen. Allerdings ist Vanadium ein seltenes und teures Metall, das oft Verunreinigungen aufweist. „Heute gilt Eisen als der mit Abstand vielversprechendste Kandidat für Flussbatterien. Es ist ein auf der Erde reichlich vorhandenes, kostengünstiges Metall, das sich durch eine geringe Toxizität auszeichnet und in verschiedenen molekularen Umgebungen eingesetzt werden kann“, sagt Prof. Dr. Birgit Weber, Professorin für Anorganische Chemie an der Universität Bayreuth.

Eisen kommt in der zweiwertigen Form Fe²⁺ und in der dreiwertigen Form Fe³⁺ vor, die in der Forschung als Eisen (II) und Eisen (III) bezeichnet werden. Beide Formen des Eisens bilden molekulare Komplexe, die in verschiedenen quantenmechanischen Zuständen – sogenannten Spinzuständen – existieren. Äußere Reize, zum Beispiel eine veränderte Umgebungstemperatur, können einen Wechsel des Spinzustands bewirken. Im Rahmen des neuen Projekts soll nun die Möglichkeit, einen bestimmten Spinzustand der Eisenkomplexe durch Temperaturänderungen gezielt herbeiführen zu können, für die Weiterentwicklung von Flussbatterien genutzt werden. Es ist bereits bekannt, dass der Spinzustand von Eisenkomplexen deren Redoxpotenzial beeinflusst. Hierbei handelt es sich um eine Messgröße für die Triebkraft der Redoxreaktionen, wie sie sich in den Elektrolyten von Flussbatterien abspielen. Genau hier liegt die Chance der Optimierung: Flussbatterien, die Eisen (II) und Eisen (III) anstelle von Vanadium enthalten, gewinnen möglicherweise einen erheblich höheren Wirkungsgrad, wenn es gelingt, das Redoxpotenzial der Eisenkomplexe durch einen gezielten Wechsel ihres Spinzustands zu kontrollieren.

„Unser Ziel ist es, auf der Grundlage von Eisen umweltfreundliche und hocheffiziente Flussbatterien zu entwickeln. Diese werden aufgrund ihrer hohen Speicherkapazität dazu beitragen können, den Anteil nachhaltiger Energiequellen an der Energieversorgung wesentlich zu erhöhen“, sagt Weber.

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