Mini-Flow-Batterie beschleunigt Energiespeicherforschung

Winzige Durchflussbatterie bietet enorme Vorteile und reduziert Zeit, Kosten und Ressourcen, die für das Testen neuer Batteriematerialien benötigt werden

18.02.2025

Manchmal muss man, um Großes zu erreichen, erst einmal klein anfangen. Genau das haben Forscher des Pacific Northwest National Laboratory des Energieministeriums mit ihrer neuesten Innovation im Bereich der Energiespeicherung getan.

Mit dem Ziel, die Zeit bis zur Entdeckung neuer Netz-Energiespeichertechnologien zu verkürzen, hat das Team ein kompaktes, hocheffizientes Durchflussbatterie-Testsystem entwickelt, das eine Größenordnung weniger Ausgangsmaterial benötigt und gleichzeitig Ergebnisse liefert, die denen von Standard-Testsystemen im Labormaßstab entsprechen. Das neue Design der Mini-Durchflusszelle und die experimentelle Validierung werden in einem Artikel beschrieben, der im Journal of The Electrochemical Society veröffentlicht wurde. Die neu gestaltete Mini-Durchflusszelle ist der inneren Struktur einer herkömmlichen Durchflusszelle sehr ähnlich, allerdings um den Faktor 5 verkleinert. Trotz ihrer geringeren Größe weist die Mini-Durchflusszelle eine vergleichbare Leistung wie ihr größeres Gegenstück auf.

Mini-Durchflussbatterie liefert große Ergebnisse

"Dieser Bericht ist ein erster Schritt, der zeigt, dass die Verkleinerung unseres experimentellen Systems funktioniert", sagte der Materialwissenschaftler und Flussbatterie-Forscher Ruozhu Feng, einer der Hauptautoren der Studie. "Unser ultimatives Ziel ist es, die Leistung von KI und Robotik in diesen Prozess einzubringen, um die Prüfung neuer Flow-Batterie-Designs zu automatisieren und zu beschleunigen."

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Durch die Verringerung der benötigten Materialmenge und die Beschleunigung des Validierungsprozesses könnte diese Technologie dazu beitragen, erneuerbare Energielösungen voranzutreiben. Die Forscher sind außerdem der Ansicht, dass dieser miniaturisierte Ansatz das Experimentieren mit einer breiteren Palette von chemischen Versuchsreihen erleichtern wird.

"Derzeit müssen wir eine Menge Material vorbereiten, wenn wir eine vielversprechende neue Batterieformel identifizieren, und das kostet viel Zeit", so Feng. "Mit diesem Mini-Durchflusszellenverfahren können wir herausfinden, ob ein vorgeschlagenes neues Material mit einer winzigen Menge - Milligramm - funktioniert.

Das Design der Mini-Durchflusszelle richtet sich an Forschungslabors, die sich auf das schnelle Screening und die Entwicklung neuer Batteriematerialien konzentrieren. In ihrer Forschungsstudie zeigte das Team, dass die neue Mini-Durchflusszelle für eine schnelle Validierung der Materialstabilität geeignet ist. Rigorose Tests in einem breiten Spektrum von Materialchemien und -konzentrationen stärkten das Vertrauen der Forscher in das neue, verkleinerte System. Das Team weist jedoch darauf hin, dass es hochgereinigte Ausgangsmaterialien benötigt, die frei von Verunreinigungen sind, die sonst die engen Kanäle und Röhren verstopfen könnten.

Das Forschungsteam hat für sein neues Batteriedesign US-Patentschutz beantragt. Wenn Sie mehr über Kooperations- oder Lizenzierungsmöglichkeiten im Zusammenhang mit der neuen Technologie erfahren möchten, wenden Sie sich an unser Kommerzialisierungsteam.

Eine Teamleistung

Laut Soowhan Kim, dem leitenden Forscher und Konstrukteur der Mini-Durchflusszelle, lag der Schlüssel zum Erfolg darin, dass das Team über mehr als ein Jahrzehnt Erfahrung in der Entwicklung von Durchflussbatteriezellen sowie in den Bereichen Technik, mechanische Bearbeitung und Chemie verfügt. So nutzte beispielsweise der PNNL-Experte für Instrumentierung und Systemsteuerung, Andrey Liyu, seine Erfahrung im Maschinenbau und in der Mikrofluidik, um die Verkleinerung ohne Einbußen bei der Genauigkeit durchzuführen.

"Von kleinen Zellen bis hin zu großen Stapeln können wir alle Größenordnungen von Flow-Batterie-Design und -Experimenten handhaben", sagte Kim, ein leitender Forscher am Grid Storage Launchpad des PNNL. "Wenn wir unser Fachwissen im Bereich der Berechnungen und unsere Erfahrung in der analytischen Chemie hinzufügen, können wir mit vereinten Kräften die Mini-Durchflusszelle entwickeln. Wir hoffen, dass wir sie allen Forschern, die daran interessiert sind, zur Verfügung stellen können."

Was ist eine Durchflussbatterie?

Wie ihr Name schon sagt, bestehen Durchflussbatterien 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 und können so elektrische Geräte betreiben. Durchflussbatterien sind eine Schlüsseltechnologie - sie speichern Energie aus intermittierenden Energiequellen wie Wind- und Wasserkraft und geben diese Energie dann bei Bedarf für netzweite Anwendungen frei. Im Gegensatz zu herkömmlichen Batterien verwenden Durchflussbatterien flüssige Elektrolyte, die in externen Tanks gelagert werden und eine flexible Skalierung der Energiekapazität ermöglichen.

Warum werden neue Durchflussbatteriekonzepte benötigt?

Um Durchflussbatteriesysteme für den großtechnischen Einsatz praktikabel zu machen, suchen Forscher nach neuen chemischen und Materialkombinationen, die die Grenzen der bestehenden Systeme überwinden. Zu diesen Einschränkungen gehören die hohen Materialkosten, die geringe Leistungsdichte und der Wunsch, die Materialien in den Vereinigten Staaten zu beschaffen.

Wie werden neue Durchflussbatterien entdeckt?

Bislang war die Entdeckung neuer Materialien für Durchflussbatterien ein mühsamer Versuch-und-Irrtum-Prozess, der oft die Synthese organischer Verbindungen im Gramm-Maßstab, umfangreiche Tests und einen erheblichen Zeitaufwand erforderte. Dieses neue miniaturisierte Zellendesign, das etwa die Größe einer Spielkarte hat, verwendet das Äquivalent von ein paar Sandkörnern, wodurch der Zeit- und Ressourcenaufwand für jeden Test drastisch reduziert wird und dennoch zuverlässige Ergebnisse erzielt werden.

Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.

Originalveröffentlichung

Ruozhu Feng, Andrey V. Liyu, Soowhan Kim, Chao Zeng, Carter C. Bracken, Yangang Liang, Wei Wang; "Miniaturize the Redox Flow Battery for Accelerated Materials Discovery and Development"; Journal of The Electrochemical Society, Volume 171, 2024-12-26

https://www.chemie.de/news/1185595/mini-flow-batterie-beschleunigt-energiespeicherforschung.html