Empa-Forscher will Hybrid aus Flow- und Lithium-Ionen-Batterie entwickeln

Redox-Flow-Batteriespeicher sind keine neue Erfindung, dennoch haben sie bislang nur einen sehr geringen Marktanteil erreicht. Dabei benötigen sie im Gegensatz zu dominierenden Lithium-Ionen-Batterien keine seltenen Erden oder kritischen Rohstoffe wie Kobalt. Sie nutzen Tanks mit ungiftigen Elektrolytflüssigkeiten, die ungiftig, leicht skalierbar und nicht brennbar sind. Der Lade- und Entladevorgang geschieht nicht in den Tanks selbst, sondern die Elektrolyte werden durch eine elektrochemische Zelle gepumpt. Allerdings weisen die Redox-Flow-Batterien bislang allgemein eine sehr geringe Energiedichte auf.

Dies will der Schweizer Empa-Forscher David Reber mit einem Forschungsprojekt, dass vom „Ambizione“-Grants des Schweizerischen Nationalfonds (SNF) unterstützt wird, ändern. Ausgangspunkt für seine Arbeit ist eine Flow-Batterie auf Wasserbasis. Generell gilt, für eine schnellere Ladung und Entladung muss die elektrochemische Zelle vergrößert werden, während es für eine höhere Speicherkapazität größere Tanks braucht.

„Flow-Batterien haben eine rund zehnmal geringere Energiedichte als Batterien aus festen Speichermaterialien», erklärt Reber. Je mehr Speichermaterial sich im Elektrolyt auflösen lasse, desto höher die Energiedichte einer Flow-Batterie. „Allerdings machen hohe Konzentrationen die Lösung dickflüssig, und man braucht viel mehr Energie, um sie durch die Zelle zu pumpen, so der Forscher weiter.

Diese Herausforderung will er nun mit einem komplett neuen Ansatz lösen. „Meine Vision ist, eine Art Hybrid aus einer Flow-Batterie und einer Lithium-Ionen-Batterie zu entwickeln“, sagte der Forscher. Er wolle feste Speichermaterialien in den Tank der Flow-Batterie geben. „Wenn das gelöste Material und das feste Speichermaterial genau aufeinander abgestimmt sind, können sie untereinander Energie transferieren“, so der Empa-Forscher. Dann lasse sich die Skalierbarkeit von Flow-Batterien mit der hohen Energiedichte von Batterien mit festen Speichermaterialien kombinieren.

Zunächst muss Reber dafür ein passenden Materialpaar finden, was idealerweise auch über die Betriebsdauer von 20 Jahren für die Speicher stabil funktioniere. „Ich habe bereits einige mögliche Paare im Sinn, sagte Reber. So könnte ein Chelat als gelöstes Speichermaterial verwendet werden. Dies sei ein mehrarmiges organisches Molekül, das sich um ein Metallion „schlingt“, sagte Reber. Wenn ein Paar nicht ganz passe, könnten die Redox-Potenziale mit bestimmten chemischen Handgriffen auch manipuliert werden.

Reber muss für sein Projekt nicht bei null anfangen. Preis während seiner Postdoc-Zeit an der Universität of Colorado habe er an einer Chelat-basierten Redox-Flow-Batterie geforscht. Am Ende seines Schweizer Forschungsprojekts, das auf vier Jahre angelegt ist, will Reber nun über eine gut funktionierende Batterie mit einem zusätzlichen festen Speicher verfügen. „Wenn dieser Ansatz funktioniert, sind die Einsatzmöglichkeiten sehr vielfältig“, sagt er. So könnten kompakte Flow-Batterien mit flexiblem Formfaktor im urbanen Raum deutlich einfacher integriert werden. „Alles, was es dafür braucht, wären Pumpen und ein paar Schläuche“, ergänzt der Forscher abschließend.