Durchflussbatterie der nächsten Generation stellt Rekorde auf

Zuckerzusatz spielt überraschende Rolle, indem er Kapazität und Langlebigkeit erhöht

13.07.2023 - USA

Flow-Batterie-Forscher Ruozhu Feng posiert mit den Zutaten für eine langlebige Netzstrombatterie

Andrea Starr | Pacific Northwest National Laboratory

Ein gängiger Lebensmittel- und Medikamentenzusatzstoff hat in einem rekordverdächtigen Experiment gezeigt, dass er die Kapazität und Langlebigkeit einer Durchflussbatterie der nächsten Generation erhöhen kann.

Ein Forscherteam des Pacific Northwest National Laboratory des US-Energieministeriums berichtet, dass die Durchflussbatterie, die für die Energiespeicherung im Stromnetz optimiert wurde, ihre Kapazität zur Speicherung und Abgabe von Energie über ein Jahr lang bei kontinuierlicher Auf- und Entladung beibehielt.

Die Studie, die soeben in der Zeitschrift Joule veröffentlicht wurde, beschreibt die erste Verwendung eines aufgelösten Einfachzuckers namens β-Cyclodextrin, einem Derivat von Stärke, zur Steigerung der Langlebigkeit und Kapazität von Batterien. In einer Reihe von Experimenten optimierten die Wissenschaftler das Verhältnis der Chemikalien in dem System, bis es 60 Prozent mehr Spitzenleistung erreichte. Dann schalteten sie die Batterie über ein Jahr lang immer wieder ein, wobei sie das Experiment erst abbrachen, als die Kunststoffschläuche versagten. Während dieser ganzen Zeit verlor die Durchflussbatterie kaum an Aktivität, um sich wieder aufzuladen. Dies ist das erste Experiment mit einer Durchflussbatterie im Labormaßstab, bei dem mehr als ein Jahr Dauerbetrieb mit minimalem Kapazitätsverlust festgestellt wurde.

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Der β-Cyclodextrin-Zusatz ist auch der erste, der die elektrochemische Reaktion beschleunigt, die die Energie der Durchflussbatterie speichert und dann freisetzt, und zwar in einem Prozess, der homogene Katalyse genannt wird. Das bedeutet, dass der Zucker seine Arbeit verrichtet, während er in der Lösung gelöst ist, und nicht als Feststoff auf einer Oberfläche.

"Dies ist ein völlig neuer Ansatz für die Entwicklung von Durchflussbatterie-Elektrolyten", sagte Wei Wang, ein langjähriger Batterieforscher des PNNL und Hauptautor der Studie. "Wir haben gezeigt, dass man eine ganz andere Art von Katalysator verwenden kann, um die Energieumwandlung zu beschleunigen. Da der Katalysator im flüssigen Elektrolyten gelöst ist, besteht zudem nicht die Gefahr, dass sich ein Feststoff löst und das System verschmutzt."

Was ist eine Durchflussbatterie?

Wie der Name schon sagt, bestehen Flow-Batterien aus zwei Kammern, die jeweils mit einer anderen Flüssigkeit gefüllt sind. Die Batterien laden sich durch eine elektrochemische Reaktion auf und speichern die Energie in chemischen Bindungen. Wenn sie an einen externen Stromkreis angeschlossen werden, geben sie diese Energie ab, die dann elektrische Geräte antreiben kann. Durchflussbatterien unterscheiden sich von Festkörperbatterien dadurch, dass sie über zwei externe Flüssigkeitstanks verfügen, die ständig zirkulieren und den Elektrolyten liefern, der sozusagen die "Blutversorgung" des Systems darstellt. Je größer der Elektrolytvorratstank ist, desto mehr Energie kann die Durchflussbatterie speichern.

Wenn sie auf die Größe eines Fußballfeldes oder mehr vergrößert werden, können Durchflussbatterien als Notstromaggregate für das Stromnetz dienen. Durchflussbatterien sind eine der wichtigsten Säulen einer Dekarbonisierungsstrategie zur Speicherung von Energie aus erneuerbaren Energiequellen. Ihr Vorteil ist, dass sie in jedem Maßstab gebaut werden können, vom Labortischmaßstab, wie in der PNNL-Studie, bis hin zur Größe eines Stadtblocks.

Warum brauchen wir neue Arten von Durchflussbatterien?

Groß angelegte Energiespeicher sind eine Art Versicherungspolice gegen Störungen in unserem Stromnetz. Wenn Unwetter oder eine hohe Nachfrage die Stromversorgung von Haushalten und Unternehmen beeinträchtigen, kann die in großen Durchflussbatterieanlagen gespeicherte Energie dazu beitragen, die Unterbrechung zu minimieren oder die Versorgung wiederherzustellen. Es wird erwartet, dass der Bedarf an solchen Anlagen noch zunehmen wird, da die Stromerzeugung zunehmend aus erneuerbaren Energiequellen wie Wind, Sonne und Wasserkraft erfolgt. Intermittierende Energiequellen wie diese benötigen einen Ort, um Energie zu speichern, bis sie zur Deckung der Verbrauchernachfrage benötigt wird.

Es gibt zwar viele Durchflussbatteriekonzepte und einige kommerzielle Anlagen, aber die bestehenden kommerziellen Anlagen sind auf abgebaute Mineralien wie Vanadium angewiesen, die teuer und schwer zu beschaffen sind. Deshalb suchen Forschungsteams nach effektiven alternativen Technologien, die gängigere Materialien verwenden, die leicht synthetisiert werden können, stabil und ungiftig sind.

"Wir können nicht immer in der Erde nach neuen Materialien graben", sagte Imre Gyuk, Direktor der Energiespeicherforschung im DOE Office of Electricity. "Wir müssen einen nachhaltigen Ansatz mit Chemikalien entwickeln, die wir in großen Mengen synthetisieren können - genau wie in der Pharma- und Lebensmittelindustrie."

Die Arbeit an Durchflussbatterien ist Teil eines großen Programms des PNNL zur Entwicklung und Erprobung neuer Technologien für die Energiespeicherung im Netzmaßstab, das mit der Eröffnung des Grid Storage Launchpad des PNNL im Jahr 2024 beschleunigt werden soll.

Ein harmloses "Zuckerwasser" versüßt den Weg zu einer effektiven Durchflussbatterie

Das PNNL-Forschungsteam, das dieses neue Batteriedesign entwickelt hat, besteht aus Forschern mit Kenntnissen in organischer und chemischer Synthese. Diese Kenntnisse kamen dem Team zugute, als es sich entschied, mit Materialien zu arbeiten, die bisher nicht für die Batterieforschung verwendet wurden, aber bereits für andere industrielle Zwecke hergestellt werden.

"Wir suchten nach einer einfachen Möglichkeit, mehr Fluorenol in unserem Elektrolyten auf Wasserbasis aufzulösen", sagt Ruozhu Feng, Erstautor der neuen Studie. "Das β-Cyclodextrin hat uns dabei in bescheidenem Maße geholfen, aber sein eigentlicher Nutzen war diese überraschende katalytische Fähigkeit."

Die Forscher arbeiteten dann mit Co-Autorin Sharon Hammes-Schiffer von der Yale University zusammen, einer führenden Autorität auf dem Gebiet der chemischen Reaktion, die dem katalytischen Schub zugrunde liegt, um zu erklären, wie er funktioniert.

Wie in der Forschungsstudie beschrieben, nimmt der Zuckerzusatz positiv geladene Protonen auf, was dazu beiträgt, die Bewegung der negativen Elektronen beim Entladen der Batterie auszugleichen. Die Details sind etwas komplizierter, aber es ist so, dass der Zucker den Topf versüßt, damit die anderen Chemikalien ihren chemischen Tanz vollenden können.

Bei der Studie handelt es sich um die nächste Generation eines vom PNNL patentierten Flussbatteriekonzepts, das erstmals 2021 in der Zeitschrift Science beschrieben wurde. Dort zeigten die Forscher, dass eine andere gängige Chemikalie, das Fluorenon, eine wirksame Komponente für Durchflussbatterien ist. Dieser erste Durchbruch war jedoch verbesserungsbedürftig, da der Prozess im Vergleich zur kommerziellen Durchflussbatterietechnologie langsam war. Dieser neue Fortschritt macht das Batteriedesign zu einem Kandidaten für eine Vergrößerung, sagen die Forscher.

Gleichzeitig arbeitet das Forschungsteam daran, das System weiter zu verbessern, indem es mit anderen Verbindungen experimentiert, die dem β-Cyclodextrin ähnlich, aber kleiner sind. Wie Honig macht auch β-Cyclodextrin die Flüssigkeit dicker, was für ein fließendes System nicht gerade ideal ist. Dennoch fanden die Forscher, dass die Vorteile die Nachteile überwiegen.

Das Verständnis der komplexen chemischen Vorgänge im Inneren der neuen Flussbatterie erforderte das Fachwissen vieler Wissenschaftler, darunter Ying Chen, Xin Zhang, Peiyuan Gao, Ping Chen, Sebastian Mergelsberg, Lirong Zhong, Aaron Hollas, Yangang Lian, Vijayakumar Murugesan, Qian Huang, Eric Walter und Yuyan Shao vom PNNL sowie Benjamin J. G. Rousseau und Hammes-Schiffer von Yale, zusätzlich zu Feng und Wang.

Das Forscherteam hat für sein neues Batteriedesign US-Patentschutz beantragt.

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