Kunststoff verbessert Akkutechnik

Das Jenaer Forscherteam (v. l.) Prof. Dr. Ulrich Schubert, Tobias Janoschka und Dr. Martin Hager mit der Polymer-basierten Redox-Flow-Batterie. (Bildquelle: Anne Günther/FSU)

Einen entscheidenden Schritt zu einer einfach handhabbaren, sicheren und ökonomischen Redox-Flow-Batterie ist einem Forscherteam der Friedrich-Schiller-Universität Jena, des Zentrums für Energie und Umweltchemie (CEEC Jena) und Jenabatteries – einer Ausgründung der Uni Jena – gelungen: Sie haben eine Redox-Flow-Batterie auf Basis von Polymeren und einer ungefährlichen Kochsalzlösung entwickelt. „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“, sagt Dr. Martin Hager, einer der beteiligten Wissenschaftler. Ihre Batterietechnik präsentieren die Forscher in der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins Nature (DOI:10.1038/nature15746).

Die Redox-Flow-Batterie der Jenaer Forscher verwendet hingegen Kunststoffe: Diese ähneln in ihrem grundlegenden Aufbau Plexiglas und Styropor, doch sie sind so um funktionale Einheiten ergänzt, damit sie Elektronen aufnehmen beziehungsweise abgeben können. Als Lösungsmittel sind keine aggressiven Säuren notwendig. Stattdessen schwimmen die Polymere 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 als Energiespeicher für große Windkraft- und Solaranlagen“, ergänzt Prof. Dr. Ulrich Schubert, Lehrstuhlinhaber für Organische und Makromolekulare Chemie an der FSU Jena und Direktor des CEEC Jena – einem Energieforschungszentrum, das die Universität Jena und das Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme Hermsdorf/Dresden (IKTS) gemeinsam betreiben.

Bis zu 10.000 Ladezyklen durchlief die Jenaer Redox-Flow-Batterie in ersten Tests, ohne entscheidend an Kapazität zu verlieren. Die Energiedichte des in der aktuellen Studie vorgestellten Systems beträgt zehn Wattstunden pro Liter. Die Wissenschaftler arbeiten bereits an größeren, leistungsfähigeren Systemen. Neben der Fortführung der Grundlagenforschung innerhalb der Universität entwickeln die Chemiker ihr System zudem im Rahmen des Startup-Unternehmens Jenabatteries zu marktreifen Produkten.

Die Redox-Flow-Batterie

Bei einer Redox-Flow-Batterie bestehen die Elektroden nicht aus Feststoffen – meist Metalle und Metallsalze –, sondern liegen in gelöster Form vor: Die Elektrolytlösungen lagern in zwei Tanks, die den Plus- und Minus-Pol bilden und als Energiespeicher dienen. Eine Pumpe bringt sie in eine elektrochemische Zelle, in der die Elektrolyte chemisch reduziert beziehungsweise oxidiert werden, sodass elektrische Energie frei wird oder gespeichert werden kann. Damit sich die Elektrolyte nicht vermischen, trennt eine Membran die Zelle in der Mitte. „Bei diesen Systemen lassen sich Energiemenge und Leistung unabhängig voneinander einstellen. Außerdem ist die Selbstentladung sehr gering“, erklärt Hager. Bisherige Systeme verwenden als Elektrolyte meist in Schwefelsäure gelöste Ionen des Metalls Vanadium. „Das ist nicht nur extrem teuer, sondern die Lösung ist zudem hochkorrosiv, sodass eine spezielle Membran nötig und die Lebensdauer der Batterie begrenzt ist“, so Hager.

(dl)