Redox-Flow-Zellen sollen mit neuen Elektrolyten besser werden

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Uni Erlangen erforscht nanostrukturierte Materialien für die Energieumwandlung

Unlängst trafen sich die Projektpartner in Hamburg und gaben eine Übersicht über die geplanten Forschungsaktivitäten. Das Projekt wird von Prof. Dr. Wolfgang Winkler, Leiter des Instituts für Energiesysteme und Brennstoffzellentechnik, sowie seinem Mitarbeiter Simon Ressel an der HAW koordiniert. Weitere Projektpartner sind die Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, die Universität Hamburg, das Institut für Interactive Materials Research (DWI) an der RWTH Aachen, das Dechema-Forschungsinstitut sowie die Unternehmen Fuma-Tech GmbH und Uniwell Rohrsysteme GmbH & Co. KG.

Zentraler Forschungsgegenstand ist es, die klassische Vanadiumzelle auf einer Seite gegen feuchte Luft zu auszutauschen. Durch diese Bauform wird das Volumen an ionischen Substanzen zur Energiespeicherung halbiert. Damit lässt sich mit dem gleichen Speichervolumen eine wesentlich größere Energiemenge speichern.

Ein Teilprojekt ist die Optimierung der Elektrodenoberflächen. Dies ist der Forschungsgegenstand von Prof. Dr. Julian Bachmann an der Universität Erlangen. Eines seiner Forschungsgebiete ist die Entwicklung neuartiger nanostrukturierter Materialien und Grenzflächen für die Energieumwandlung.

Prof. Dr. Peter Burger von der Universität Hamburg sucht in diesem Zusammenhang nach neuen Elektrolytflüssigkeiten, die in der Lage sind, mehr Energie zu speichern. Damit soll die Energiedichte der Elektrolytflüssigkeiten erhöht werden. Erste Ergebnisse liegen in Form des Clusterions (H₃V₁₀O₂₈)^3- vor.Prof. Dr.-Ing. Matthias Wessling von der RWTH Aachen widmet sich neuen Katalysatorsystemen auf den Elektrodenoberflächen. Diese sollen den Prozess weiter verbessern.

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Hintergrund

So funktioniert eine Redox-Flow-Zelle

Der Begriff Redox ist eine Kombination der Wörter Reduktion und Oxidation. Redox-Flow-Zellen machen sich Oxidationen (Elektronenabgabe-) und Reduktionen (Elektronenaufnahmeprozesse) zwischen unterschiedlichen Medien zunutze.

Wesentliche Bauteile sind zwei Tanks, zwei Elektroden, die jeweils durch eine für Ionen durchlässige Membran getrennt sind. Durch eine leitende Verbindung zwischen den Elektroden können Ströme zum Laden oder Entladen fließen. Dabei werden die Medien an einer für Ionen durchlässigen Membran aus Tanks vorbeigepumpt. Dies wird auch als galvanisches Element bezeichnet. Im Fall der Vanadium-Halbzellen wandeln sich zum Laden oder Entladen durch Elektronenübertragungsprozesse VO₂⁺-Ionen in VO²⁺-Ionen um. Sie geben die Elektronen an die Elektrode ab.

Auf der anderen Seite der Halbzelle findet ein anderer Prozess statt. Hier laufen die Elektronenübertragungsschritte zwischen V²⁺- und V³⁺-Ionen ab. Dabei werden Elektronen von der Elektrode aufgenommen. Beim Entladen entsteht eine Spannung zwischen den Elektroden und ein Strom kann fließen. Zuvor muss jedoch, zum Beispiel erzeugt durch überschüssige Energie aus erneuerbaren Quellen, das System geladen worden sein, indem die Prozesse in die umgekehrte Richtung ablaufen.

Zwecks Ladungsausgleichs wandern Protonen durch die Membran. Damit auch immer genügend Metallionen an den Elektroden zur Verfügung stehen, werden die Elektrolytflüssigkeiten entlang der Elektroden gepumpt. Die Tanks dienen damit als Speichermedium. Durch ihre Größe lässt sich die gespeicherte Energiemenge steuern.

Marktfähige Fertigungsverfahren für Redox-Flow-Zellen gesucht

Die Industriepartner Fuma-Tech GmbH und Uniwell Rohrsysteme GmbH & Co. KG beschäftigen sich mit der Umsetzung der Forschungsergebnisse in marktfähige Fertigungsverfahren und Produkte. Schwerpunkt sind dabei die Membranen sowie die Extrusionstechnik zur Herstellung der Redox-Flow-Batterien mit zylindrischer Geometrie.

Der Werkzeugmaschinenhersteller Gildemeister AG aus Bielefeld hat bereits ein Programm aus planar aufgebauten Vanadium-Redox-Flow-Systemen aufgelegt. Am Unternehmensstandort ist schon die Vision einer E-Tankstelle zu besichtigen. Vieles deutet auf Marktoptionen dieser Batterien in den Bereichen Elektromobilität und erneuerbare Energien hin.

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