Erforschung von ionischen Flüssigkeiten für den Einsatz als Aktivmassen in neuartigen Redox-Flow-Batterien

Technologien, die elektrische Energie im großen Maßstab, zu niedrigen Kosten und mit großer Effizienz speichern können, sind ein zentraler Eckpfeiler für eine umweltschonende, zuverlässige und bezahlbare Energieversorgung. Neuartige Redox-Flow-Batterien besitzen eine alternative Materialklasse: die Ionischen Flüssigkeiten. Im Gegensatz zu konventionellen Redox-Flow-Batterien müssen die energiespeichernden Stoffe hier nicht in einem Lösungsmittel gelöst werden, sondern können als Reinstoffe eingesetzt werden, da sie selbst flüssig sind. Es wird zudem der Einsatz von kostengünstigen, weltweit verfügbaren Rohstoffen mit hohen Energiedichten ermöglicht.

Ziel dieses Forschungsprojektes ist es, eine alternative Redox-Flow-Batterie zu entwickeln, in der ionische Flüssigkeiten (Ionic Liquids, IL) als Energieträger eingesetzt werden. Bei Ionischen Flüssigkeiten handelt es sich um Salze, die einen Schmelzpunkt unter 100 °C aufweisen. Raumtemperatur-ionische-Flüssigkeiten (Room temperature Ionic Liquids, RTIL) sind Salze, die bereits bei Raumtemperatur flüssig sind. Diese Flüssigkeiten vereinen Eigenschaften, die in dieser Kombination in keiner anderen Substanzklasse auftreten: hohe Leitfähigkeit, niedrige Viskosität, enorme Flüssigkeitsbereiche, niedrige Dampfdrücke, große elektrochemische Stabilität sowie niedrige Entflammbarkeiten.

Die WissenschaftlerInnen setzen ionische Flüssigkeiten ein, die aus organischen Kationen sowie metall- oder halogenhaltigen Anionen bestehen und bei Raumtemperatur flüssig sind. Aus diesem Grund kann auf den Einsatz eines Lösemittels in der Batterie verzichtet werden. Weitere Vorteile sind die damit einhergehende hohe Energiedichte der Systeme sowie der Einsatz von kostengünstigen und weltweit verfügbaren Metallen.

Ausgehend von vier Modellsystemen mit unterschiedlicher Zellchemie ermitteln die ForscherInnen sukzessive das am besten geeignete System. Dies erfolgt zuerst durch experimentelle Untersuchungen der Systeme. Die beinhalten ein Materialscreening, in dessen Verlauf die ionischen Flüssigkeiten, die Elektroden sowie die Membraneigenschaften und ihre Kompatibilität mit der Zellchemie untersucht werden. Aufbauend auf den Erkenntnissen aus dem Materialscreening testen sie die Modellsysteme im einfachen statischen Betrieb und ermitteln ihre spezifischen Kenndaten, wie Zellpotential, Entlade- und Ladestromstärke sowie Strom-Spannungs-Kennlinien.

Um einen reibungslosen Übergang vom statischen in den fließenden Betrieb zu ermöglichen, führen die ForscherInnen grundlegende Messungen durch. Danach folgen die Arbeiten zur Entwicklung und Auslegung von Zelldesigns sowie zur Planung verfahrenstechnischer Anordnungen. Sie entwickeln für zwei favorisierte chemische Systeme jeweils ein Zell- und Stackdesign sowie ein Verfahrenskonzept. Schließlich testen sie das geeignetste Modellsystem in zunehmend größeren und technisch anspruchsvolleren Einzelzellen, was auch die Entwicklung und Fertigung geeigneter Zellen beinhaltet.

Aufbauend auf den Betriebserfahrungen wird ein Mehrzeller über einen Zeitraum von mindestens drei Monaten als Demonstrator betrieben. Zur Evaluierung der Kostenstruktur für eine Redox-Flow-Batterie im technischen Maßstab wird in enger Zusammenarbeit mit den assoziierten Partnern eine technisch-ökonomische

Machbarkeitsstudie für eine Mega-Watt-Anlage erarbeitet.

Um Ergebnisse aus der Forschung in die Praxis zu führen, binden die ForscherInnen Anwendungspartner aus der gesamten Wertschöpfungskette der Redox-Flow-Batterie in den Forschungsprozess ein. Der mittelständische

Anlagenbauer Rena könnte – im Falle eines erfolgreichen Projektverlaufs – auf der Basis des Demonstrators mit der Entwicklung eines marktfähigen Produktes beginnen. Durch die Zusammenarbeit von den Universitäten Freiburg und Berlin sowie dem Fraunhofer ISE mit den assoziierten Industriepartnern könnte langfristig eine Pilotanlage einer Redox-Flow-Batterie entstehen, die mit Ionischen Flüssigkeiten betrieben wird.

Quelle: http://www.fona.de/mediathek/pdf/projekte/materialforschung/VS_IL_RFB_bf.pdf (jüngster Zugriff: 05.04.2017)