Worldwide China Indien

Redox-Flow-Batterie

Wasserabweisende Membran mit Nano-Kanälen für Energiespeicherung

| Redakteur: Tobias Hüser

Doktorand Tao Luo und Postdoc Il Seok Chae gehören zum Forscherteam, das eine neue, wasserabweisende Membran mit Nanokanälen entwickelt hat.
Doktorand Tao Luo und Postdoc Il Seok Chae gehören zum Forscherteam, das eine neue, wasserabweisende Membran mit Nanokanälen entwickelt hat. (Bild: Philipp Scheffler/DWI)

Wissenschaftlern des Leibniz-Instituts für Interaktive Materialien (DWI), der RWTH Aachen und der Hanyang University in Seoul haben eine Schlüsselkomponente für die Entwicklung neuer Energiespeichersysteme verbessert. Sie entwickelten eine wasserabweisende Membran mit Nano-Kanälen für Redox-Flow-Batterien.

Aachen – Redox-Flow-Batterien gelten als mögliche Zukunftstechnologie für eine hocheffiziente Energiespeicherung. Diese Batterien speichern elektrische Energie in Form von Elektrolyten, also chemischen Verbindungen, die in einem Lösungsmittel gelöst vorliegen. In einer Vanadium-Redox-Flow-Batterie kommen beispielsweise in Schwefelsäure gelöste Vanadium-Ionen zum Einsatz. Zwei energiespeichernde Elektrolyte zirkulieren dabei in zwei Kreisläufen, die durch eine Membran getrennt sind.

Die Speicherkapazität hängt von der Menge der Elektrolyte ab und kann individuell an die Anwendung angepasst werden. Wenn die Batterie geladen oder entladen wird, werden die Vanadium-Ionen in den beiden Elektrolyten chemisch reduziert beziehungsweise oxidiert und gleichzeitig wandern Protonen durch die trennende Membran.

Die Membran spielt dabei eine ganz zentrale Rolle: Sie muss einerseits die energiespeichernden Elektrolyte in den beiden Kreisläufen voneinander trennen, da eine Vermischung zum Verlust der gespeicherten Energie führen würde. Andererseits müssen die Protonen die Membran beim Lade- und Entladevorgang der Batterie problemlos passieren können. Die Entwicklung eines Materials, das diese beiden Eigenschaften erfüllt – undurchlässig für die Vanadium-Ionen und durchlässig für Protonen – stellt eine wesentliche Hürde dar, insbesondere auch hinsichtlich einer effizienten, kommerziellen Nutzung.

Membran quillt nicht in Wasser

Als Maßstab galt bislang eine Membran aus dem Polymer Nafion. Eine solche Membran ist chemisch stabil und lässt Protonen passieren. Allerdings sind Nafion und Nafion-ähnliche Polymere durch Wasser gequollen, sodass sie nur eine limitierte Barriere-Funktion für die Vanadium-Ionen haben. Polymerchemiker versuchen diese Vanadium-Leckage zu unterdrücken, indem sie die molekularen Strukturen der Membran verändern.

Die Wissenschaftler aus Aachen und Seoul haben einen völlig anderen Ansatz gewählt. „Wir arbeiten mit einer hydrophoben, also wasserabweisenden Membran. Die Membran quillt nicht im Wasser und bleibt daher stabil“, erklärt Prof. Matthias Wessling. Er ist 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 hat Bestand: Auch nach einer Woche oder 100 Lade- und Entladevorgängen ist die Membran für Elektrolyt-Ionen undurchlässig. „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 % erzielen. Konventionelle Systeme erreichen dagegen maximal 76 %.

Weitere Tests sind geplant

Wissenschaftlich ergibt sich mit diesen Forschungsergebnissen ein neues Transportmodell. Das Polymer mit ‚intrinsischer‘ Mikroporosität, PIM genannt, zeigte in optischen Experimenten keine Quellung mit Wasser. Stattdessen verdichtet es sich signifikant. Die Wissenschaftler erklären dieses Phänomen damit, dass sich Wassermoleküle nicht im Polymer, sondern nur in den Poren sammeln. Das Forscherteam hofft, mit diesen Ergebnissen weitere Studien anzustoßen, die analysieren, wie sich Ionen in Mikroporen wasserabweisender Polymere verhalten.

Die Wissenschaftler aus Aachen und Seoul planen jetzt weitere Tests: Kann die neue Membran für die Anwendung in der Redox-Flow-Batterie vielleicht sogar noch optimiert werden? Und ist sie wirklich langfristig stabil? Sollte das der Fall sein, könnte die hydrophobe Membran die tatsächliche Nutzung von Redox-Flow-Batterien und ähnlichen Energiespeichersystemen extrem vorantreiben. Insbesondere eine verlässliche Stromversorgung bei Nutzung nachhaltiger Energiequellen, aber auch ein Beitrag zur Netzstabilität und Frequenzerhaltung motiviert die Forscher und Batterie-Entwickler dabei.

Kommentare werden geladen....

Kommentar zu diesem Artikel abgeben

Der Kommentar wird durch einen Redakteur geprüft und in Kürze freigeschaltet.

  1. Avatar
    Avatar
    Bearbeitet von am
    Bearbeitet von am
    1. Avatar
      Avatar
      Bearbeitet von am
      Bearbeitet von am

Kommentare werden geladen....

Kommentar melden

Melden Sie diesen Kommentar, wenn dieser nicht den Richtlinien entspricht.

Kommentar Freigeben

Der untenstehende Text wird an den Kommentator gesendet, falls dieser eine Email-hinterlegt hat.

Freigabe entfernen

Der untenstehende Text wird an den Kommentator gesendet, falls dieser eine Email-hinterlegt hat.

copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 44187302 / Forschung&Entwicklung)