Redox-Flow-Batterie: Der Begriff setzt sich zusammen aus Reduktion, Oxidation und Flow. Es handelt sich um eine Batterie, die elektrische Energie als chemische Energie durch Oxidations- und Reduktionsreaktionen aktiver Materialien im Elektrolyten an der Elektrodenoberfläche speichert und bei Bedarf wieder in elektrische Energie umwandelt. Diese kann in großem Maßstab gespeichert werden, ist durch regelmäßigen Austausch des Elektrolyten langfristig einsetzbar und hat den maßgeblichen Vorteil, dass keine Brandgefahr besteht.
Dem Forschungsteam um Dr. Seunghae Hwang von der Abteilung für Energiespeicherforschung am Korea Institute of Energy Research (KIER) ist es gelungen, die Leistung und Lebensdauer von Redox-Flow-Batterien zu verbessern, indem sie funktionelle Gruppen einführten, die die aktiven Materialien ersetzen und die Löslichkeit und Stabilität verbessern. Eine funktionelle Gruppe ist eine Gruppe von Atomen in einer organischen Verbindung, die die Eigenschaften der Verbindung bestimmt und eine Rolle bei der Festlegung ihrer Eigenschaften spielt.
Fortschritt für den Ausbau von erneuerbaren Energien
Um die Nutzung erneuerbarer Energien wie Sonnen- und Windenergie auszubauen, werden Langzeit-Energiespeicher benötigt, die bei günstigen Wetterbedingungen erzeugten Strom für mehr als acht Stunden speichern und bei Bedarf wieder abgeben können. Weltweit wird aktiv an Redox-Flow-Batterien geforscht, die im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien ein geringeres Brandrisiko und eine lange Lebensdauer von über 20 Jahren aufweisen.
Die Republik Korea konzentriert sich auch auf die Entwicklung kostengünstiger, hocheffizienter Technologien, die bis 2030 auf breiter Basis eingeführt werden sollen. Obwohl Vanadium derzeit als aktives Material in Redox-Flow-Batterien vermarktet wird, haben die begrenzten Reserven in jüngster Zeit zur Erforschung von Alternativen geführt. Organische Verbindungen wie Viogene, die aus natürlich vorkommenden Elementen wie Kohlenstoff und Sauerstoff hergestellt werden, sind aufgrund ihrer Erschwinglichkeit und ihres Potenzials, Vanadium zu ersetzen, besonders interessant.
Viogene haben jedoch den Nachteil einer geringen Löslichkeit, was die Gesamtenergiedichte verringert, und einer Instabilität bei wiederholtem Laden und Entladen, was die Entwicklung von Technologien zur Überwindung dieser Probleme erforderlich macht. Um die Löslichkeit der Viogene zu erhöhen, führten die Forscher funktionelle Sulfonat- und Estergruppen ein, die wasserfreundliche Eigenschaften besitzen. Diese beiden funktionellen Gruppen erzeugen durch Wechselwirkung mit Wassermolekülen (Elektrolyten) auf der Oberfläche der Viogene Anziehungskräfte zwischen den Molekülen und erleichtern so die Dispersion der Viogene in Wasser.
Neue kommerzielle Energiespeichermöglichkeit
Viogene sind wie ein Sandwich aus zwei Molekülschichten aufgebaut. Während des Aufladens verbinden sich diese Schichten oft zu einer Struktur, die keine Energie mehr speichern kann. Um dieses Problem zu lösen, führten die Forscher funktionelle Alpha-Methylgruppen ein, die wie Barrieren wirken. Diese bringen eine Drehung in die Schichtstruktur ein und erzeugen eine Abstoßung zwischen den Molekülen, wodurch Nebenreaktionen unterdrückt und die Effizienz und Stabilität der Energiespeicherung verbessert werden.
Die Anwendung des von den Forschern entwickelten Aktivmaterials auf Redox-Flow-Batterien bestätigte, dass sich die Energiedichte im Vergleich zu Vanadium-Redox-Flow-Batterien mehr als verdoppelt. Darüber hinaus wiesen die Batterien nach 200 Lade- und Entladezyklen einen Coulomb-Wirkungsgrad von 99,4 Prozent (Entladekapazität im Verhältnis zur Ladekapazität) und eine Kapazitätserhaltung von 92,4 Prozent auf, was auf eine verbesserte Leistung und Stabilität hindeutet.
Dr. Seunghae Hwang, die Erstautorin der Forschungsergebnisse, erklärte: „Als Reaktion auf den Klimawandel und zur Ausweitung der Nutzung erneuerbarer Energien ist es notwendig, die Energiespeicherung durch die Entwicklung von Redox-Flow-Batterien zu erleichtern, die sowohl preislich wettbewerbsfähig als auch langlebig sind.“ Sie fügte hinzu: „Diese Forschung ermöglicht die Entwicklung aktiver Materialien, die sowohl erschwinglich als auch langlebig sind, und trägt so zur frühen Kommerzialisierung von Redox-Flow-Batterien bei.“
