Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Eine wasserabweisende Membran mit Nano-Kanälen für eine hocheffiziente Energiespeicherung

22.07.2016

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.


Doktorand Tao Luo und Postdoc Il Seok Chae gehören zum Forscherteam, das eine neue, wasserabweisende Membran mit Nanokanälen entwickelt hat.

Philipp Scheffler/DWI


Laboraufbau einer Redox-Flow-Batterie mit einer hydrophoben Membran (im grauen Gehäuse unten im Bild) und zwei Elektrolyt-Reservoirs (Vorratsbehälter mit gelber Flüssigkeit).

Philipp Scheffler/DWI

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 auch 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 Prof. Dr.-Ing. Matthias Wessling. Er ist stellvertretender wissenschaftlicher Direktor im Leibniz-Institut für Interaktive Materialien (DWI) und Inhaber des RWTH-Lehrstuhls für chemische Verfahrenstechnik.

„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. Der Trenneffekt hat Bestand: 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.

Wissenschaftlich ergibt sich mit diesen Forschungsergebnissen ein neues Transportmodell. Das Polymer mit ‚intrinsischer‘ Mikroporosität, PIM genannt, 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.

Die Wissenschaftler aus Aachen und Seoul planen jetzt weitere Tests: Kann die neue Membran für die Anwendung in der Redox-Flow-Batterie vielleicht sogar noch optimiert werden? Und ist sie wirklich langfristig stabil? Sollte das der Fall sein, könnte die hydrophobe Membran die tatsächliche Nutzung von Redox-Flow-Batterien und ähnlichen Energiespeichersystemen extrem vorantreiben. Insbesondere eine verlässliche Stromversorgung bei Nutzung nachhaltiger Energiequellen, aber auch ein Beitrag zur Netzstabilität und Frequenzerhaltung motiviert die Forscher und Batterie-Entwickler dabei.

Veröffentlichung:
Chae, I. S., Luo, T., Moon, G. H., Ogieglo, W., Kang, Y. S., & Wessling, M. (2016). Ultra‐High Proton/Vanadium Selectivity for Hydrophobic Polymer Membranes with Intrinsic Nanopores for Redox Flow Battery. Advanced Energy Materials.

Dr. Janine Hillmer | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.dwi.rwth-aachen.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht Kognitive Energiesysteme: Neues Kompetenzzentrum sucht Partner aus Wissenschaft und Wirtschaft
06.08.2020 | Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik IEE

nachricht Mobilität 2035: Technologiekalender unterstützt kleine und mittlere Unternehmen beim Wandel
29.07.2020 | Karlsruher Institut für Technologie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Energie und Elektrotechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Projektabschluss ScanCut: Filigranere Steckverbinder dank Laserschneiden

Eine entscheidende Ergänzung zum Stanzen von Kontakten erarbeiteten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT. Die Aachener haben im Rahmen des EFRE-Forschungsprojekts ScanCut zusammen mit Industriepartnern aus Nordrhein-Westfalen ein hybrides Fertigungsverfahren zum Laserschneiden von dünnwandigen Metallbändern entwickelt, wodurch auch winzige Details von Kontaktteilen umweltfreundlich, hochpräzise und effizient gefertigt werden können.

Sie sind unscheinbar und winzig, trotzdem steht und fällt der Einsatz eines modernen Fahrzeugs mit ihnen: Die Rede ist von mehreren Tausend Steckverbindern im...

Im Focus: ScanCut project completed: laser cutting enables more intricate plug connector designs

Scientists at the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT have come up with a striking new addition to contact stamping technologies in the ERDF research project ScanCut. In collaboration with industry partners from North Rhine-Westphalia, the Aachen-based team of researchers developed a hybrid manufacturing process for the laser cutting of thin-walled metal strips. This new process makes it possible to fabricate even the tiniest details of contact parts in an eco-friendly, high-precision and efficient manner.

Plug connectors are tiny and, at first glance, unremarkable – yet modern vehicles would be unable to function without them. Several thousand plug connectors...

Im Focus: Elektrogesponnene Vliese mit gerichteten Fasern für die Sehnen- und Bänderrekostruktion

Sportunfälle und der demografische Wandel sorgen für eine gesteigerte Nachfrage an neuen Möglichkeiten zur Regeneration von Bändern und Sehnen. Eine Kooperation aus italienischen und deutschen Wissenschaftler*innen forschen gemeinsam an neuen Materialien, um dieser Nachfrage gerecht zu werden.

Dem Team ist es gelungen elektrogesponnene Vliese mit hochgerichteten Fasern zu generieren, die eine geeignete Basis für Ersatzmaterialien für Sehnen und...

Im Focus: New Strategy Against Osteoporosis

An international research team has found a new approach that may be able to reduce bone loss in osteoporosis and maintain bone health.

Osteoporosis is the most common age-related bone disease which affects hundreds of millions of individuals worldwide. It is estimated that one in three women...

Im Focus: Neue Strategie gegen Osteoporose

Ein internationales Forschungsteam hat einen neuen Ansatzpunkt gefunden, über den man möglicherweise den Knochenabbau bei Osteoporose verringern und die Knochengesundheit erhalten kann.

Die Osteoporose ist die häufigste altersbedingte Knochenkrankheit. Weltweit sind hunderte Millionen Menschen davon betroffen. Es wird geschätzt, dass eine von...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Innovationstage 2020 – digital

06.08.2020 | Veranstaltungen

Innovationen der Luftfracht: 5. Air Cargo Conference real und digital

04.08.2020 | Veranstaltungen

T-Shirts aus Holz, Möbel aus Popcorn – wie nachwachsende Rohstoffe fossile Ressourcen ersetzen können

30.07.2020 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Der Türsteher im Gehirn

06.08.2020 | Biowissenschaften Chemie

Kognitive Energiesysteme: Neues Kompetenzzentrum sucht Partner aus Wissenschaft und Wirtschaft

06.08.2020 | Energie und Elektrotechnik

Projektabschluss ScanCut: Filigranere Steckverbinder dank Laserschneiden

06.08.2020 | Verfahrenstechnologie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics