Batterien auf Wasserbasis

Redox-Flow-Batterien sind bereits seit den 1970er-Jahren bekannt. Im Gegensatz zu den herkömm­lichen Lithium-Ionen-Batterien speichern sie die Energie nicht in festen Elektroden, sondern in Tanks mit flüssigen Elektrolytlösungen. Der Lade- und Entlade­vorgang geschieht nicht in den Tanks selbst: Dafür werden die Elektrolyte durch eine elektro­chemische Zelle gepumpt. Die noch geringe Energie­dichte dieser Stromspeicher will Empa-Forscher David Reber in den nächsten vier Jahren im Rahmen eines neuen Projekts steigern.

Für Handys, Laptops oder Autos sind die Flüssig­batterien unpraktisch. Sehr vielversprechend sind sie hingegen für stationäre Speicher­lösungen. Da die Energie ausserhalb der eigent­lichen Zelle gespeichert wird, lassen sich Flow-Batterien besonders einfach und gezielt skalieren. Soll die Batterie schneller laden und entladen, braucht es eine größere elektrochemische Zelle. Soll sie eine größere Speicher­kapazität bekommen, müssen größere Tanks her. „Mit zunehmender Nutzung von erneuerbaren Energien werden wir Energiespeicher im großen Maßstab brauchen – auch in urbanen Gebieten“, sagt Reber. Ein weiterer Pluspunkt für Flow-Batterien: Verwendet man Elektrolyte auf Wasserbasis, sind sie im Gegensatz zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus grundsätzlich nicht brennbar.

Dennoch hat sich die Technologie bisher nicht durchgesetzt. Reber kennt das Hauptproblem: „Flow-Batterien haben eine rund zehnmal geringere Energiedichte als Batterien aus festen Speicher­materialien“, erklärt er. Je mehr Speichermaterial sich im Elektrolyt auflösen lässt, desto höher die Energiedichte einer Flow-Batterie. „Allerdings machen hohe Konzen­trationen die Lösung dickflüssig, und man braucht viel mehr Energie, um sie durch die Zelle zu pumpen“, so der Forscher. Genau dieses Problem will Reber in seiner Arbeit im Empa-Labor „Materials for Energy Conversion“ nun lösen – mit einem ungewöhnlichen Ansatz. 

Während sich die meisten Projekte zu Flow-Batterien auf besser lösliche Speicher­materialien fokussieren, will er die Energiespeicherung komplett von der Elektrolytlösung entkoppeln. „Meine Vision ist, eine Art Hybrid aus einer Flow-Batterie und einer Lithium-Ionen-Batterie zu entwickeln“, sagt der Forscher. Dafür will er feste Speichermaterialien, wie sie etwa in Handy­batterien verwendet werden, in den Tank der Flow-Batterie geben. „Wenn das gelöste Material und das feste Speicher­material genau aufeinander abgestimmt sind, können sie untereinander Energie trans­ferieren“, führt Reber aus. „So lässt sich die Skalier­barkeit von Flow-Batterien mit der hohen Energiedichte von Batterien mit festen Speicher­materialien kombinieren.“

Zuerst muss der Forscher allerdings geeignete Paare von Materialien finden, die den Energie­austausch ermöglichen und auch über eine längere Zeit stabil bleiben. «Eine Redox-Flow-Batterie sollte idealer­weise etwa zwanzig Jahre betrieben werden können», sagt er. Ob ein Materialpaar zusammenpasst, hängt von dem Redox-Potenzial der Stoffe ab: bei welcher Spannung sie Elektronen abgeben oder aufnehmen. „Ich habe bereits einige mögliche Paare im Sinn“, sagt Reber. Und sollte ein vielver­sprechendes Paar nicht ganz genau übereinstimmen, können seine Redox-Potenziale mit bestimmten chemischen Handgriffen manipuliert werden. 

Eine von Rebers Ideen ist, als gelöstes Speicher­material ein Chelat zu verwenden: ein mehrarmiges organisches Molekül, das sich um ein Metallion schlingt. Je nachdem, wie viele Arme das organische Molekül – der Ligand – hat, verändert sich das Redox-Potenzial. An Chelat-basierten Redox-Flow-Batterien forschte Reber bereits während seiner Postdoc-Zeit an der University of Colorado in Boulder. Am Ende seiner Förderungszeit von vier Jahren hofft Reber, eine gut funktionierende Batterie mit einem zusätzlichen festen Speicher zu haben. „Wenn dieser Ansatz funktioniert, sind die Einsatz­möglichkeiten sehr vielfältig“, sagt er. So könnten kompakte Flow-Batterien mit flexiblem Formfaktor im urbanen Raum deutlich einfacher integriert werden. „Alles, was es dafür braucht, wären Pumpen und ein paar Schläuche“, ergänzt der Forscher.

Empa / JOL