Neue Batterie ist vielversprechend für grüne Energie

Redox-Flow-Batterie macht kostspielige und ineffiziente Membranen überflüssig

11.09.2023
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Symbolbild

Jimmy Jiang stellt sich eine Zukunft vor, in der jedes Haus mit in Batterien gespeicherter erneuerbarer Energie betrieben wird. In seinem Chemielabor haben Jiang und seine Studenten an der University of Cincinnati eine neue Batterie entwickelt, die tiefgreifende Auswirkungen auf die groß angelegte Energiespeicherung haben könnte, die von Wind- und Solarparks benötigt wird.

Andrew Higley/UC

Jack McGrath, Doktorand an der University of Cincinnati, hält in einem Chemielabor einen Becher mit Flüssigkeit hoch.

Innovationen wie die der UC werden tiefgreifende Auswirkungen auf die grüne Energie haben, so Jiang. Batterien speichern erneuerbare Energie für den Zeitpunkt, an dem sie gebraucht wird, und nicht nur für den Zeitpunkt, an dem sie produziert wird. Dies sei entscheidend, um das Beste aus Wind- und Solarenergie herauszuholen, sagte er. "Energieerzeugung und Energieverbrauch sind immer unausgewogen", sagte er. "Deshalb ist es wichtig, ein Gerät zu haben, das diese Energie vorübergehend speichern und bei Bedarf wieder abgeben kann. Die Forscher beschreiben ihr neues Design in der Zeitschrift Nature Communications.

Herkömmliche Autobatterien enthalten ein Gemisch aus Schwefelsäure und Wasser. Sie sind zwar preiswert und werden aus leicht verfügbaren Materialien hergestellt, haben aber für den industriellen oder großtechnischen Einsatz gravierende Nachteile. Sie haben eine sehr niedrige Energiedichte, die für die Speicherung der für die Stromversorgung einer Stadt erforderlichen Megawattleistung ungeeignet ist. Und sie haben eine niedrige Schwelle für die elektrochemische Stabilität. Laut Jiang bedeutet das, dass sie explodieren können.

"Wasser hat eine Spannungsgrenze. Sobald die Spannung einer wässrigen Batterie das Stabilitätsfenster von 1,5 Volt überschreitet, kann sich das Wasser zersetzen oder in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten werden, was explosiv ist", sagte er. Jiang und seine Studenten haben jedoch eine Batterie ohne Wasser entwickelt, die eine Spannung von fast 4 Volt erzeugen kann. Jiangs neuartiges Design kommt ohne einen Membrantrenner aus, der zu den teuersten Teilen dieser Art von Batterien gehört, sagte er.

"Membranen sind super teuer", sagte Jiang. "Wir haben eine neue Art von Energiespeichermaterial entwickelt, das die Leistung bei geringeren Kosten verbessert. Ebenso seien Membranen ineffizient, sagte er. "Sie können die positive und die negative Seite nicht vollständig voneinander trennen, so dass es immer zu Überschneidungen kommt", sagte er. Die Gruppe hat vorläufige Patentanträge eingereicht, sagte er. "Es ist noch ein langer Weg zu gehen", sagte Jiang.

Aber er sagte, dass wir uns in den nächsten 20 Jahren auf eine Batterierevolution zubewegen. "Ich bin da sehr zuversichtlich. Es wird intensiv daran geforscht, die Grenzen der Batterieleistung zu verschieben", sagte er. Seine Studenten sind ebenso begeistert. Rabin Siwakoti, Doktorand und Mitautor der Studie, sagte, die Batterie biete eine höhere Energiedichte. "Selbst eine kleine Batterie kann also mehr Energie liefern", sagte er. "Wir haben es geschafft, die Membran in einer Batterie zu eliminieren, die einen großen Teil der Anschaffungskosten ausmacht. Sie macht bis zu 30 % der Kosten einer Batterie aus", sagte Co-Autor und Doktorand Jack McGrath.

Co-Autor Soumalya Sinha, Gastprofessor an der UC, sagte, dass die Länder um die Entwicklung billigerer, effizienterer Batterien ringen. "Dieses Design senkt die Materialkosten erheblich", sagte er. "Wir versuchen, die gleiche Leistung zu günstigeren Kosten zu erreichen.

Zu den weiteren Autoren gehören der Hauptautor und UC-Postdoktorand Rajeev Gautam, der Doktorand Xiao Wang und der UC-Doktorand Amir Lashgari.

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