Batterien aus Kunststoff für die Energiewende

Sonne und Wind sind wichtige erneuerbare Energiequellen, die jedoch natürliche Schwankungen zeigen: Bei starkem Wind und strahlendem Sonnenschein wird zu viel, bei Windstille und Wolken dagegen zu wenig Strom produziert. Für eine kontinuierliche Stromversorgung und stabile Energienetze braucht es daher Stromspeicher. Vielversprechend 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 der Friedrich-Schiller-Universität Jena, des Zentrums für Energie und Umweltchemie (CEEC Jena) und der JenaBatteries GmbH – 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. Ihre Batterietechnik präsentieren die Wissenschaftler in der aktuellen Ausgabe des renommierten Wissenschaftsmagazins Nature (DOI:10.1038/nature15746).

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 bzw. 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 bzw. 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 aktuellen Studie.

„Diese auf Polymeren basierende Redox-Flow-Batterie eignet sich daher ideal als Energiespeicher für große Windkraft- und Solaranlagen“, ergänzt Prof. Dr. Ulrich S. Schubert, Lehrstuhlinhaber für Organische und Makromolekulare Chemie an der FSU Jena und Direktor des CEEC Jena – einem in Deutschland einmaligen Energieforschungszentrum, das gemeinsam von der Universität Jena und dem Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme Hermsdorf/Dresden (IKTS) betrieben wird.

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. Neben der Fortführung der Grundlagenforschung innerhalb der Universität entwickeln die Chemiker zudem im Rahmen des Startup-Unternehmens JenaBatteries GmbH ihr System zu marktreifen Produkten.

Original-Publikation:
Janoschka T et al. An aqueous, polymer-based redox-flow battery using non-corrosive, safe, and low-cost materials. Nature, DOI:10.1038/nature15746

Kontakt:
Prof. Dr. Ulrich S. Schubert, Dr. Martin Hager, Tobias Janoschka
Institut für Organische Chemie und Makromolekulare Chemie der Universität Jena
Zentrum für Energie und Umweltchemie (CEEC Jena)
Humboldtstr. 10, 07743 Jena
Tel.: 03641 / 948200
E-Mail: ulrich.schubert[at]uni-jena.de, martin.hager[at]uni-jena.de, tobias.janoschka[at]uni-jena.de

http://www.uni-jena.de