Batterien aus Kunststoff für die Energiewende Chemiker

URL: http://www.uni-jena.de/Forschungsmeldungen/FM151021_Batterie.pdf
Batterien aus Kunststoff für die Energiewende
Chemiker präsentieren neuartige Redox-Flow-Batterie auf
Polymer-Basis
Foto: Anne Günther/FSU
Das Jenaer Forscherteam mit der neuen Batterie (v. l.): Prof. Dr. Ulrich S. Schubert, Tobias
Janoschka und Dr. Martin Hager.
Sonne und Wind sind wichtige erneuerbare Energiequellen, die jedoch natürliche Schwankungen
zeigen: Bei starkem Wind und strahlendem Sonnenschein wird zu viel, bei Windstille und Wolken
dagegen zu wenig Strom produziert. Für eine kontinuierliche Stromversorgung und stabile
Energienetze braucht es daher Stromspeicher. Vielversprechend sind sogenannte
Redox-Flow-Batterien, die allerdings bislang einen entscheidenden Nachteil haben: Bei dieser
Batterietechnik kommen teure Metalle und aggressive Säuren zum Einsatz.
Batterien aus Kunststoff für die Energiewende
1
Einen entscheidenden Schritt zu einer einfach handhabbaren, sicheren und zugleich
ökonomischen Redox-Flow-Batterie ist nun einem Forscherteam der Friedrich-Schiller-Universität
Jena, des Zentrums für Energie und Umweltchemie (CEEC Jena) und der JenaBatteries GmbH einer Ausgründung der Uni Jena - gelungen: Sie haben eine Redox-Flow-Batterie auf Basis von
Polymeren und einer ungefährlichen Kochsalzlösung entwickelt. "Das Neuartige an unserem
Batteriesystem ist, dass es deutlich günstiger hergestellt werden kann, aber dennoch fast die
Kapazität und Leistung herkömmlicher, metall- und säurehaltiger Systeme erreicht", sagt Dr. Martin
Hager. Ihre Batterietechnik präsentieren die Wissenschaftler in der aktuellen Ausgabe des
renommierten Wissenschaftsmagazins Nature (DOI:10.1038/nature15746).
Bei einer Redox-Flow-Batterie bestehen die Elektroden nicht aus Feststoffen - meist Metalle und
Metallsalze -, sondern liegen in gelöster Form vor: Die Elektrolytlösungen lagern in zwei Tanks, die
den Plus- und Minus-Pol bilden und als Energiespeicher dienen. Mithilfe einer Pumpe werden sie
in eine elektrochemische Zelle gebracht, in der die Elektrolyte chemisch reduziert bzw. oxidiert
werden, so dass elektrische Energie frei wird oder gespeichert werden kann. Damit sich die
Elektrolyte nicht vermischen, ist die Zelle in der Mitte durch eine Membran getrennt. "Bei diesen
Systemen lassen sich Energiemenge und Leistung unabhängig voneinander einstellen. Außerdem
ist die Selbstentladung sehr gering", erklärt Martin Hager. Bisherige Systeme verwenden als
Elektrolyte meist in Schwefelsäure gelöste Ionen des Metalls Vanadium. "Das ist nicht nur extrem
teuer, sondern die Lösung ist zudem hochkorrosiv, so dass eine spezielle Membran nötig und die
Lebensdauer der Batterie begrenzt ist", so Hager.
Energiespeicher für Windkraft- und Solaranlagen
Die Redox-Flow-Batterie der Jenaer Forscher verwendet hingegen neuartige Kunststoffe: Diese
ähneln in ihrem grundlegenden Aufbau Plexiglas und Styropor, doch sie sind so um funktionale
Einheiten ergänzt, dass sie Elektronen aufnehmen bzw. abgeben können. Als Lösungsmittel sind
keine aggressiven Säuren notwendig, sondern die Polymere "schwimmen" in einer wässrigen
Kochsalzlösung. "Auf diese Weise können wir eine einfache und preisgünstige Cellulose-Membran
verwenden und auf giftige und teure Metalle verzichten", erklärt Tobias Janoschka, Erstautor der
aktuellen Studie. "Diese auf Polymeren basierende Redox-Flow-Batterie eignet sich daher ideal als
Energiespeicher für große Windkraft- und Solaranlagen", ergänzt Prof. Dr. Ulrich S. Schubert,
Lehrstuhlinhaber für Organische und Makromolekulare Chemie an der FSU Jena und Direktor des
CEEC Jena - einem in Deutschland einmaligen Energieforschungszentrum, das gemeinsam von
der Universität Jena und dem Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme
Hermsdorf/Dresden (IKTS) betrieben wird.
Bis zu 10.000 Ladezyklen konnte die Jenaer Redox-Flow-Batterie in ersten Tests durchlaufen ohne
entscheidend an Kapazität zu verlieren. Die Energiedichte des in der aktuellen Studie vorgestellten
Systems beträgt zehn Wattstunden pro Liter. Doch die Wissenschaftler arbeiten bereits an
größeren, leistungsfähigeren Systemen. Neben der Fortführung der Grundlagenforschung
innerhalb der Universität entwickeln die Chemiker zudem im Rahmen des Startup-Unternehmens
JenaBatteries GmbH ihr System zu marktreifen Produkten.
Original-Publikation:
Janoschka T et al. An aqueous, polymer-based redox-flow battery using non-corrosive, safe, and
low-cost materials. Nature, DOI:10.1038/nature15746
Kontakt:
Prof. Dr. Ulrich S. Schubert, Dr. Martin Hager, Tobias Janoschka
Institut für Organische Chemie und Makromolekulare Chemie der Universität Jena
Chemiker präsentieren neuartige Redox-Flow-Batterie aufPolymer-Basis
2
Zentrum für Energie und Umweltchemie (CEEC Jena)
Humboldtstr. 10, 07743 Jena
Tel.: 03641 / 948200
E-Mail: [email protected], [email protected], [email protected]
Chemiker präsentieren neuartige Redox-Flow-Batterie aufPolymer-Basis
3

Download Report