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Mit Nanokanälen: Effizientere Energiespeicherung in Redox-Flow-Batterien

Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Interaktive Materialien (DWI), der Aachener Verfahrenstechnik, RWTH Aachen, und der Hanyang University in Seoul verbesserten die Trennmembran für Redox-Flow-Batterien entscheidend.

Wasserabweisende Membran Bildquelle: © Philipp Scheffler, DWI

Laboraufbau einer Redox-Flow-Batterie mit einer hydrophoben Membran (im grauen Gehäuse unten im Bild) und zwei Elektrolyt-Reservoirs (Vorratsbehälter mit gelber Flüssigkeit).

Redox-Flow-Batterien speichern elektrische Energie in Form von chemischen Elektrolyt-Verbindungen, die in einem Lösungsmittel gelöst vorliegen. Ein Vanadium-Redox-Flow-Batterie verwendet beispielsweise in Schwefelsäure gelöste Vanadium-Ionen als Elektrolyte, die in zwei separaten, von einer Membran getrennten Kreisläufen zirkulieren. Beim Laden bzw. Entladen der Batterie werden die Vanadium-Ionen in den beiden Elektrolyten chemisch reduziert, bzw. oxidiert und Protonen wandern gleichzeitig durch die Trennmembran.

Die Membran hat die schwierige Aufgabe, die Elektrolyte vor der Vermischung zu schützen und gleichzeitig die Protonen beim Laden und Entladen passieren zu lassen. Das bisher verwendete Material Nafion, ein Polymer, lässt Protonen passieren, quillt jedoch durch Wasser, was seine Barriere-Funktion für die Vadium-Ionen schwächt.

Anstatt die Vanadium-Leckage durch veränderte molekulare Membranstrukturen zu verhindern, arbeiten die Forscher aus Aachen und Seoul »mit einer hydrophoben, also wasserabweisenden Membran. Die Membran quillt nicht im Wasser und bleibt daher stabil«, so Prof. Dr.-Ing. Matthias Wessling, stellvertretender wissenschaftlicher Direktor im Leibniz-Institut für Interaktive Materialien (DWI) und Inhaber des RWTH-Lehrstuhls für chemische Verfahrenstechnik.

»Wir waren sehr positiv überrascht, als wir festgestellt haben, dass sich in dem hydrophoben Material winzige Poren und Kanäle ausbilden, in denen Protonen problemlos und mit hoher Geschwindigkeit durch die Membran gelangen können, während die Vanadium-Ionen aufgrund ihrer Größe zurückgehalten werden.« Weniger als zwei Nanometer, also weniger als zwei Millionstel Millimeter, sind die Kanäle breit.

Der Trenneffekt für Elektrolyt-Ionen hat bei diesem Polymer mit ‚intrinsischer‘ Mikroporosität auch nach einer Woche oder 100 Lade- und Entladevorgängen Bestand. »Auf diese Weise konnten wir eine Energieeffizienz von bis zu fast 99 Prozent erreichen, je nach Stromstärke. Unsere Membran stellt also eine echte Barriere für das Vanadium dar«, so Wessling weiter. Unabhängig von der Stromstärke konnten die Wissenschaftler in jedem Fall eine Energieeffizienz von mindestens 85 Prozent erzielen. Konventionelle Systeme erreichen dagegen maximal 76 Prozent. Jetzt testen die Forscher die Stabilität der Membran und optimieren ihre Verwendung .