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 Hitzefrei im Elektromobil: Neuartige Materialien steigern Komfort und Reichweite von E-Fahrzeugen
16.08.2018 | Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF

nachricht Macht Sinn: Fraunhofer entwickelt Sensorsystem für KMU
15.08.2018 | Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB

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: Eisen und Titan in der Atmosphäre eines Exoplaneten entdeckt

Forschende der Universitäten Bern und Genf haben erstmals in der Atmosphäre eines Exoplaneten Eisen und Titan nachgewiesen. Die Existenz dieser Elemente in Gasform wurde von einem Team um den Berner Astronomen Kevin Heng theoretisch vorausgesagt und konnte nun von Genfern Astronominnen und Astronomen bestätigt werden.

Planeten in anderen Sonnensystemen, sogenannte Exoplaneten, können sehr nah um ihren Stern kreisen. Wenn dieser Stern viel heisser ist als unsere Sonne, dann...

Im Focus: Magnetische Antiteilchen eröffnen neue Horizonte für die Informationstechnologie

Computersimulationen zeigen neues Verhalten von Antiskyrmionen bei zunehmenden elektrischen Strömen

Skyrmionen sind magnetische Nanopartikel, die als vielversprechende Kandidaten für neue Technologien zur Datenspeicherung und Informationsverarbeitung gelten....

Im Focus: Unraveling the nature of 'whistlers' from space in the lab

A new study sheds light on how ultralow frequency radio waves and plasmas interact

Scientists at the University of California, Los Angeles present new research on a curious cosmic phenomenon known as "whistlers" -- very low frequency packets...

Im Focus: Neue interaktive Software: Maschinelles Lernen macht Autodesigns aerodynamischer

Neue Software verwendet erstmals maschinelles Lernen um Strömungsfelder um interaktiv designbare 3D-Objekte zu berechnen. Methode wird auf der renommierten SIGGRAPH-Konferenz vorgestellt

Wollen Ingenieure oder Designer die aerodynamischen Eigenschaften eines neu gestalteten Autos, eines Flugzeugs oder anderer Objekte testen, lassen sie den...

Im Focus: New interactive machine learning tool makes car designs more aerodynamic

Scientists develop first tool to use machine learning methods to compute flow around interactively designable 3D objects. Tool will be presented at this year’s prestigious SIGGRAPH conference.

When engineers or designers want to test the aerodynamic properties of the newly designed shape of a car, airplane, or other object, they would normally model...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Aktuelles aus der Magnetischen Resonanzspektroskopie

16.08.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Oktober 2018

16.08.2018 | Veranstaltungen

Das Architekturmodell in Zeiten der Digitalen Transformation

14.08.2018 | Veranstaltungen

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

Schatzkammer Datenbank: Digitalisierte Schwingfestigkeitskennwerte sparen Entwicklungszeit

16.08.2018 | Informationstechnologie

Interaktive Software erleichtert Design komplexer Gussformen

16.08.2018 | Informationstechnologie

Fraunhofer HHI entwickelt Quantenkommunikation für jedermann im EU-Projekt UNIQORN

16.08.2018 | Informationstechnologie

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