Nanomembran für Redox-Flow-Batterien

Energie­speicherung und eine stabile Strom­versorgung sind ein zentrales Thema, wenn es um die Nutzung von Energie aus Solar- und Windkraft­anlagen geht. Hier unterliegt der Energie­gewinn natürlichen Schwankungen, die durch effiziente Speicher­methoden ausgeglichen werden müssen. Wissen­schaftlern des Leibniz-Instituts für Inter­aktive Materialien DWI, der Aachener Verfahrens­technik, RWTH Aachen, und der Hanyang University in Seoul gelang nun eine wesentliche Verbes­serung einer Schlüssel­komponente für die Entwicklung neuer Energie­speicher­systeme.

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 hinsichtlich einer effi­zienten, kommer­ziellen Nutzung. 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 Matthias Wessling vom DWI. „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. 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 Prozent erzielen. Konventionelle Systeme erreichen dagegen maximal 76 Prozent.

So ergibt sich mit diesen Forschungs­ergebnissen ein neues Transport­modell. Das Polymer mit intrinsischer Mikro­porosität 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.

DWI / JOL