Sonne und Wind sind wichtige erneuerbare Energiequellen, die jedoch natürliche Schwankungen zeigen: Bei starkem Wind und strahlendem Sonnenschein wird zu viel, bei Windstille und Wolken dagegen zu wenig Strom produziert. Für eine kontinuierliche Stromversorgung und stabile Energienetze braucht es daher Stromspeicher. Vielversprechend sind sogenannte Redox-Flow-Batterien, die allerdings bislang einen entscheidenden Nachteil haben: Bei dieser Batterietechnik werden teure Metalle und aggressive Säuren verwendet.
Einem Forscherteam der Friedrich-Schiller-Universität Jena, des Zentrums für Energie und Umweltchemie (CEEC Jena) und der JenaBatteries GmbH – einer Ausgründung der Uni Jena – ist nun ein entscheidender Schritt in der Batterieentwicklung gelungen: Die Wissenschaftler haben eine Redox-Flow-Batterie auf Basis von Polymeren und einer ungefährlichen Kochsalzlösung entwickelt, die einfach in der Handhabung ist, sicher und zugleich wirtschaftlich. „Das Neuartige an unserem Batteriesystem ist, dass es deutlich günstiger hergestellt werden kann, aber dennoch fast die Kapazität und Leistung herkömmlicher, metall- und säurehaltiger Systeme erreicht“, erklärt Dr. Martin Hager vom CEEC. Ihre Batterietechnik präsentieren die Wissenschaftler in der aktuellen Ausgabe des renommierten Wissenschaftsmagazins Nature (DOI:10.1038/nature15746).
Bei einer Redox-Flow-Batterie bestehen die Elektroden nicht aus Feststoffen – etwa aus Metallen oder Metallsalzen – statt dessen liegen sie in gelöster Form vor. Diese Elektrolytlösungen lagern in zwei Tanks, die den Plus- und Minus-Pol bilden und als Energiespeicher dienen. Mithilfe einer Pumpe werden die Lösungen in eine elektrochemische Zelle gebracht, in der die Elektrolyte chemisch reduziert bzw. oxidiert werden, so dass elektrische Energie frei wird oder gespeichert werden kann. Damit sich die Elektrolyte nicht vermischen, ist die Zelle in der Mitte durch eine Membran getrennt. „Bei diesen Systemen lassen sich Energiemenge und Leistung unabhängig voneinander einstellen. Außerdem ist die Selbstentladung sehr gering“, verdeutlicht Martin Hager. Bisherige Systeme verwenden als Elektrolyte meist in Schwefelsäure gelöste Ionen des Metalls Vanadium. „Das ist nicht nur extrem teuer, die Lösung ist zudem so hoch korrosiv, dass eine spezielle Membran nötig ist und die Lebensdauer der Batterie ist begrenzt“, so Hager.
Kunststoff statt Metall
Die Redox-Flow-Batterie der Jenaer Forscher verwendet hingegen neuartige Kunststoffe: Diese ähneln in ihrem grundlegenden Aufbau Plexiglas und Styropor, doch sie sind so um funktionale Einheiten ergänzt, dass sie Elektronen aufnehmen bzw. abgeben können. Als Lösungsmittel sind keine aggressiven Säuren notwendig, sondern die Polymere „schwimmen“ in einer wässrigen Kochsalzlösung. „Auf diese Weise können wir eine einfache und preisgünstige Cellulose-Membran verwenden und auf giftige und teure Metalle verzichten“, erklärt Tobias Janoschka, Erstautor der aktuellen Studie. „Diese auf Polymeren basierende Redox-Flow-Batterie eignet sich daher ideal als Energiespeicher für große Windkraft- und Solaranlagen“, ergänzt Prof. Dr. Ulrich S. Schubert, Lehrstuhlinhaber für Organische und Makromolekulare Chemie an der FSU Jena und Direktor des CEEC Jena – einem in Deutschland einmaligen Energieforschungszentrum, das gemeinsam von der Universität Jena und dem Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme Hermsdorf/Dresden (IKTS) betrieben wird.
Bis zu 10.000 Ladezyklen konnte die Jenaer Redox-Flow-Batterie in ersten Tests durchlaufen ohne entscheidend an Kapazität zu verlieren. Die Energiedichte des in der aktuellen Studie vorgestellten Systems beträgt zehn Wattstunden pro Liter. Doch die Wissenschaftler arbeiten bereits an größeren, leistungsfähigeren Systemen. Neben der Fortführung der Grundlagenforschung innerhalb der Universität entwickeln die Chemiker zudem im Rahmen des Startup-Unternehmens JenaBatteries GmbH ihr System zu marktreifen Produkten.
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Zentrum für Energie und Umweltchemie
