: Batterie ohne giftige und teure Metalle

01.11.2015 – Vielversprechende Stromspeicher zur Unterstützung der Energiewende sind sogenannte Redox-Flow-Batterien, die allerdings bislang einen entscheidenden Nachteil haben: Bei dieser Batterietechnik kommen teure Metalle und aggressive Säuren zum Einsatz. Einen entscheidenden Schritt zu einer einfach handhabbaren, sicheren und zugleich ökonomischen Redox-Flow-Batterie ist nun einem Forscherteam gelungen: Sie haben eine solche 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“, erklärt Dr. Martin Hager. Ihre Batterietechnik präsentiert das Forscherteam der Friedrich-Schiller-Universität Jena, des Zentrums für Energie und Umweltchemie (CEEC Jena) und der JenaBatteries GmbH – einer Ausgründung der Uni Jena – in dem Wissenschaftsmagazin Nature.

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. Mithilfe einer Pumpe werden sie in eine elektrochemische Zelle gebracht, in der die Elektrolyte chemisch reduziert beziehungsweise oxidiert werden, so dass elektrische Energie frei wird oder gespeichert werden kann. Damit sich die Elektrolyte nicht vermischen, ist die Zelle in der Mitte durch eine Membran getrennt. „Bei diesen Systemen lassen sich Energiemenge und Leistung unabhängig voneinander einstellen. Außerdem ist die Selbstentladung sehr gering“, erklärt Martin 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, so dass eine spezielle Membran nötig und die Lebensdauer der Batterie begrenzt ist“, so Hager.

Die Redox-Flow-Batterie der Jenaer Forscher verwendet hingegen neuartige Kunststoffe: Diese ähneln in ihrem grundlegenden Aufbau Plexiglas und Styropor, doch sie sind so um funktionale Einheiten ergänzt, dass sie Elektronen aufnehmen und abgeben können. Als Lösungsmittel sind keine aggressiven Säuren notwendig, sondern die Polymere „schwimmen“ 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 Studie. „Diese auf Polymeren basierende Redox-Flow-Batterie eignet sich daher ideal als Energiespeicher für große Windkraft- und Solaranlagen“, ergänzt Professor Dr. Ulrich S. Schubert, Direktor des CEEC Jena.

Bis zu 10.000 Ladezyklen konnte die Jenaer Redox-Flow-Batterie in ersten Tests durchlaufen ohne entscheidend an Kapazität zu verlieren. Die Energiedichte des in der aktuellen Studie vorgestellten Systems beträgt zehn Wattstunden pro Liter. Doch die Wissenschaftler arbeiten bereits an größeren, leistungsfähigeren Systemen. Zum einen führen die Chemiker ihre Grundlagenforschung innerhalb der Universität weiter, zum anderen entwickeln sie zusätzlich mithilfe des Startups JenaBatteries GmbH ihr System zu marktreifen Produkten. rr