Redox-Flow und wässrige Batteriesysteme

Aufgrund des steigenden Anteils an erneuerbaren Energien stellen stationäre Energiespeichersysteme eine notwendige Schlüsseltechnologie dar. Diese dienen der Zwischenspeicherung, um eine konstante und von den fluktuierenden Ressourcen unabhängige Energieversorgung, wie beispielsweise Wind und Sonne, zu gewährleisten. Die Gruppe „Redox-Flow und wässrige Batteriesysteme“ des Helmholtz-Instituts Münster (HI MS) hat sich dem Ziel verschrieben, gleichermaßen ökologische wie ökonomische Systeme zu entwickeln. Der Fokus liegt auf Redox-Flow und wässrigen Batteriesystemen.

Redox-Flow-Batterien

Redox-Flow-Batterien charakterisieren sich im Gegensatz zu Lithium- und Lithium-Ionen-Batterien dadurch, dass ihr Aktivmaterial, auch „Redox-Spezies“ genannt, in gelöster Form vorliegt und durch mechanische Umwälzsysteme zwischen Tank und Reaktionszelle transportiert werden muss. Daraus resultiert sowohl ein erhöhter Anspruch an die Aktivmaterialien als auch an das technische Design.

Die Forschung des Redox-Flow-Teams vereint Grundlagen- und Anwendungsforschung und fokussiert sich auf einfach zugängliche und umweltfreundliche Aktivmaterialien. Für eine gesamtheitliche Betrachtung der Redox-Flow-Batterie, inkl. Batteriezellaufbau, liegen die Schwerpunkte der Gruppe auf optimiertem Zelldesign sowie Überwachung, Steuerung und Regelungstechnik mittels maßgeschneiderter Sensorik. Zur Überwachung der Elektrolyte werden unter anderem optische Sensoren eingesetzt. Für das Zelldesign werden moderne Techniken aus dem 3D-Druck verwendet, um eine schnelle Anpassung der weiterentwickelten Messzellen an die untersuchten Redoxsysteme und deren Hydrodynamik zu ermöglichen und Entwicklungskosten zu senken.

Wässrige Batterien

Wässrige Batteriechemien zeigen ein großes Potential für umweltfreundliche, nachhaltige und kosteneffiziente Energiespeicher. Um das geringe elektrochemische Stabilitätsfenster von Wasser (1,23 Volt) zu umgehen, werden Konzepte wie beispielsweise Wasser-in-Salz-Elektrolyte, also hohe Salz-in-Wasser Konzentrationen angewandt. Am HI MS liegt ein Forschungsschwerpunkt auf der Entwicklung neuartiger, alternativer Leitsalze mit hoher Löslichkeit und starkem Koordinationsvermögen von Wasser, welche für eine gute Zellperformanz auch eine gute Kompatibilität mit ausgewählten Elektroden aufweisen.

Die Forscher*innen legen einen hohen Wert auf eine gute Umweltverträglichkeit und einen kosteneffizienten Zugang zu den Salzen. Zur Charakterisierung werden Methoden der thermischen, elektrochemischen und spektroskopischen Analyse angewandt.

Auswahl Publikationen:

Advanced Functional Materials 2023, 33(32), 2300501, DOI: 10.1002/adfm.202300501

Physical Chemistry Chemical Physics 2023, 6, DOI: 10.1039/D2CP03756D

Polymers 2023, 15(9), 2128, DOI: 10.3390/polym15092128

Chemistry-Methods 2022, 2(9), e202200008, DOI: 10.1002/cmtd.202200008

Batteries 2022, 9(1), DOI: 10.3390/batteries9010004

Batteries & Supercaps 2021, 4(6), 923-928, DOI: 10.1002/batt.202100018

Journal of Materials Chemistry A 2020, 8, 22280-22291, DOI: 10.1039/D0TA07891C