18.03.2022 - Rijksuniversiteit Groningen

Neue Flussbatterie speichert Energie in einfacher organischer Verbindung

Die schwankende Versorgung mit Ökostrom erfordert eine groß angelegte Speicherung, um unsere Stromnetze stabil zu halten. Da sich normale Batterien nicht sehr gut skalieren lassen, ist die Idee der Verwendung von Flussbatterien, die Strom in einer Flüssigkeit speichern, attraktiv. Diese Batterien enthalten jedoch seltene Metalle und sind teuer. Wissenschaftler der Universität Groningen in den Niederlanden haben einen Elektrolyten für Flussbatterien entwickelt, der beide Probleme lösen könnte. Ihre Ergebnisse wurden am 8. März im Journal of the American Chemical Society veröffentlicht.

Flussbatterien unterscheiden sich nicht sehr von den herkömmlichen Batterien, die wir verwenden. Der große Unterschied besteht darin, dass die Energie in zwei getrennten Flüssigkeiten mit gelösten Chemikalien zur Ladungsspeicherung gespeichert wird. Die Elektrizität wird gespeichert (und später wieder abgegeben), indem diese Flüssigkeiten durch eine elektrochemische Zelle gepumpt werden, die eine Membran enthält, durch die Ionen ausgetauscht werden können. Der Energiegehalt einer solchen Batterie ist skalierbar, indem man einfach größere Speicherbehälter für die Flüssigkeiten verwendet.

China hat kürzlich Flussbatterien installiert, um die Schwankungen bei der Erzeugung von Ökostrom zu verringern. Große Speicherkapazitäten werden benötigt, wenn intermittierende Energiequellen wie Sonnen- und Windenergie im Strommix an Bedeutung gewinnen, weil das Netz destabilisiert werden könnte", sagt Edwin Otten, außerordentlicher Professor für Molekulare Anorganische Chemie an der Universität Groningen. Der Batterietyp, den die Chinesen verwenden, wurde in den 1980er Jahren entwickelt und basiert auf einer vanadiumhaltigen Lösung.

Dieses Metall wird nur an einigen wenigen Orten der Erde abgebaut. Das bedeutet, dass die Versorgung nicht immer gewährleistet werden kann und es ziemlich teuer ist", erklärt Otten. Außerdem benötigt man eine spezielle Membran, um die beiden Flüssigkeiten zu trennen, was ebenfalls zu den Kosten beiträgt. Deshalb hat sich Ottens Forschungsgruppe zusammen mit Kollegen der Universität Eindhoven (Niederlande) und der Technischen Universität Dänemark daran gemacht, ein neuartiges Material für Flow-Batterien zu entwickeln.

Wir wollten eine symmetrische Batterie, bei der beide Tanks die gleiche Flüssigkeit enthalten", sagt Otten. Außerdem wollten wir, dass sie auf einem organischen Molekül und nicht auf einem Metall basiert". Beide Seiten der Flussbatterie enthalten im Allgemeinen Flüssigkeiten mit unterschiedlicher Zusammensetzung. Symmetrische Batterien wurden entwickelt, indem man die Moleküle, die auf beiden Seiten verwendet werden, miteinander verband und beide Tanks mit dem resultierenden Hybridmolekül füllte. Der Nachteil dieses Ansatzes ist, dass nur ein Teil des Moleküls auf beiden Seiten verwendet wird. Und während der Verwendung entstehen reaktive Radikale, die sich mit der Zeit abbauen. Das macht die Stabilität zu einem Problem.

Otten und sein Team wählten einen anderen Ansatz. Sie suchten nach einem einzigen Molekül, das stabil ist und Elektronen aufnehmen oder abgeben kann und somit auf beiden Seiten der Batterie verwendet werden kann. Die vielversprechendste Verbindung war ein Blatter-Radikal, eine bipolare organische Verbindung, die in einer Redoxreaktion entweder ein Elektron aufnehmen oder abgeben kann. Das Molekül, das wir ausgewählt haben, war auch intrinsisch stabil", sagt Otten.

Sie testeten die Verbindung in einer kleinen elektrochemischen Zelle. Sie funktionierte gut und blieb über 275 Lade-/Entladezyklen hinweg stabil. Wir müssen dies auf Tausende von Zyklen ausdehnen, aber unsere Experimente sind ein Beweis für das Konzept. Es ist möglich, eine symmetrische Flussbatterie herzustellen, die eine gute Stabilität aufweist. Das organische Blatter-Radikal ist relativ einfach herzustellen, und obwohl es derzeit nicht industriell produziert wird, sollte ein Scale-up möglich sein.

Ein weiterer Vorteil unseres symmetrischen Designs besteht darin, dass es kein großes Problem darstellt, wenn ein Teil unserer Verbindung während des Gebrauchs die Membran durchquert", erklärt Otten. Dies könnte zu einem etwas höheren Volumen in einem der Tanks führen, aber jedes Ungleichgewicht lässt sich leicht durch einfaches Umkehren der Polarität ausgleichen. In ihren Tests haben sie gezeigt, dass dies tatsächlich wie vorhergesagt funktioniert. Andere experimentelle Entwürfe von symmetrischen Batterien waren nicht stabil genug, um die für den Nachweis erforderliche Anzahl von Zyklen zu erreichen.

Der nächste Schritt besteht darin, eine wasserlösliche Version der Blatter-Radikale herzustellen. Die meisten Flusszellen sind für Flüssigkeiten auf Wasserbasis ausgelegt, da Wasser billig und nicht brennbar ist. Doktoranden in meiner Gruppe arbeiten bereits daran. Ein weiterer Schritt besteht darin, die Stabilität und Löslichkeit des Blatter-Radikals zu erhöhen und es in einem größeren Maßstab zu testen. Otten: 'Der entscheidende Test ist, ob unsere Verbindungen stabil genug für kommerzielle Anwendungen sind'.

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