Redoxelektrode aus Elektrolytlösungen: Redox-Flow-Batterie wird günstiger

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Wind- und Sonnenenergie ist umweltfreundlich nutzbar – doch was passiert mit der überschüssigen Energie? Deren Speicherung ist bislang immer noch recht teuer. Immer? Nein, dank des Forscherteams der Universität Jena ist es nun möglich, durch Redoxelektroden eine günstige Speicherlösung zu finden. Die Redox-Elektrode wurde auf der Grundlage von Polymeren hergestellt und nutzt eine Kochsalzlösung. Damit ist die Redoxelektrode eine deutlich bessere Wahl, denn bislang wurden aggressive Säuren in den Batterien eingesetzt.

Redox-Elektrode: Was ist das eigentlich?

Redoxelektroden werden auch als Nasszellen bezeichnet und arbeiten überaus effizient. Sie sind langlebiger als die üblichen Batterien, die normalerweise verwendet werden. Dabei arbeitet eine Redoxelektrode sehr effizient, außerdem ist sie unabhängig von der Kapazität in Bezug auf die Leistung zu skalieren. Eine Redox-Elektrode nutzt flüssige Elektrolyte, um Energie zu speichern. Dabei werden in der Redoxelektrode externe Tanks genutzt, um diese Energie aufzufangen und bei Bedarf umzusetzen. Für diese Umsetzung wiederum wird eine Wandlereinheit benötigt. Redoxelektroden haben den großen Vorteil, dass sie je nach Anwendung individuell angepasst werden können. Nicht umsonst sind sie Gegenstand so mancher Forschung – nun eben auch der des Forscherteams der Universität Jena, das die neuen Batterien ungefährlicher und vor allem günstiger in der Herstellung entwickeln konnte. Damit wird dank der Redoxelektrode die Speicherung der überschüssigen Energie aus Wind- und Sonnenkraftwerken endlich bezahlbar.

Die Redox-Elektrode ist einfach und sicher zu handhaben

Bisher wurde für Batterien im Gegensatz zu einer Redox-Elektrode eine eher ungünstige Technik angewendet. Die Stromspeicher wurden aus teuren Metallen gefertigt und mit aggressiven Säuren versehen – umweltfreundlich ist das natürlich nicht. Nun konnten die Forscher der Universität Jena einen entscheidenden Schritt in Richtung Neuentwicklung machen und entwickelten Redoxelektroden, die zugleich sicher und ökonomisch sind. Die Forscher kommen vom Zentrum für Energie und Umweltchemie und arbeiteten mit der JenaBatteries GmbH zusammen. Diese Gesellschaft ist eine Ausgründung der Universität – die Zusammenarbeit war damit nur logisch. Die neue Redox-Elektrode basiert auf einer Kochsalzlösung, die natürlich völlig ungefährlich ist, und verschiedenen Polymeren.

In ersten Tests konnten die Redoxelektroden bereits rund 10.000 Ladezyklen absolvieren – die Kapazität der Batterien ging bisher hier nicht verloren. Das System der Redoxelektrode, welches in der aktuellen Studie vorgestellt wurde, besitzt eine Energiedichte von rund zehn Wattstunden pro Liter.

Bei der neuen Redoxelektrode ist das Besondere, dass sie deutlich günstiger zu produzieren ist als herkömmliche Techniken. Kapazität und Leistung der Redoxelektrode sind aber dennoch vergleichbar mit den bisherigen Batterien, die auf Metall und Säure basieren. Die Ergebnisse der Studien können im Wissenschaftsmagazin „Nature“ nachgelesen werden.

Die Technik der neuen Redox-Elektrode

Die Redoxelektroden bestehen nun nicht mehr aus Feststoffen, sondern es werden statt der üblichen Metalle und Metallsalze gelöste Formen verwendet. Dabei handelt es sich um Elektrolytlösungen, die in zwei separaten Tanks lagern. Diese wiederum sind zum einen der Plus-, zum anderen der Minuspol und sie stellen die Energiespeicher dar. Eine Pumpe hilft dabei, die Speicher in die elektrochemische Zelle zu bringen. Dort können die Elektrolyte auf chemischer Basis reduziert und oxidiert werden, dabei wird elektrische Energie frei. Diese ist direkt nutzbar oder kann für die spätere Nutzung gespeichert werden. Die Elektrolyte dürfen nicht vermischt werden, daher gibt es im Inneren eine Membran, die beide Teile voneinander trennt. Energiemenge und mögliche Leistung können separat eingestellt werden, die Selbstentladung ist sehr gering.

Die verwendeten Elektrolyte der bisher genutzten Systeme bestehen aus Ionen, die aus dem Metall Vanadium unter Zuhilfenahme von Schwefelsäure getrennt werden. Das ist zum einen eine sehr teure Vorgehensweise, zum anderen ist die Lösung extrem korrosiv. Die Lebensdauer der Batterie ist in dem Fall nicht besonders hoch.

Redoxelektrode: Verzicht auf aggressive Säuren möglich

Die neue Redoxelektrode setzt auf Kunststoffe, die – vereinfacht gesagt – mit Styropor oder Plexiglas zu vergleichen sind. Zu dem grundlegenden Aufbau kommen funktionale Einheiten hinzu, sodass Elektroden aufgenommen und abgegeben werden können. Als Lösungsmittel wurden Polymere verwendet, die in der Kochsalzlösung schwimmen. Auf aggressive Säuren konnte so gänzlich verzichtet werden. Damit wurde erreicht, dass eine Membran aus Zellulose eingesetzt werden konnte – einfach und preisgünstig. Die Zeit der teuren und vor allem giftigen Metalle in Batterien könnte damit endgültig vorbei sein.

Speichermöglichkeit für Windkraft und Sonnenenergie durch die Redoxelektrode

Die Redox-Elektrode ist durch ihre Bauart und bedingt durch die Verwendung der Polymere hervorragend dafür geeignet, als Energiespeicher für große Anlagen der Photovoltaik sowie der Windkraft zu dienen. Die Wissenschaftler der Universität Jena geben sich mit den bisherigen Ergebnissen aber noch nicht zufrieden, sondern sie arbeiten bereits an Systemen, die noch größer und leistungsfähiger sind. Die Grundlagenforschung soll jedoch fortgeführt werden, was innerhalb der Universität geschieht. Gemeinsam mit dem Unternehmen JenaBatteries GmbH wird das System weiterentwickelt und soll die Marktreife erlangen. Durch die momentan sehr erfolgreichen Studien sehen die Wissenschaftler die Zukunft der Redoxelektroden aber überaus optimistisch.

Gerade der Bereich der erneuerbaren Energien wird verstärkt von Wissenschaft und Forschung beachtet und bietet die Möglichkeit ständiger Weiterentwicklungen – und auch die Notwendigkeit dieser. Die Zukunft baut auf Lösungen, die zum einen hocheffektiv sind, zum anderen aber günstig in der Anwendung sein können. Mit der Redox-Elektrode dürfte es den Wissenschaftlern gelungen sein, genau diese Kombination zu treffen. Schon allein aus dem Grund, dass die verwendeten Elektrolyte nicht mehr den aggressiven Säuren entsprechen und dass hier eine einfache Membran aus Zellulose ausreicht, damit die Lösungen voneinander getrennt bleiben, macht die gesamte Herstellung der Redoxelektroden deutlich günstiger als bisherige Systeme.

Besonders vorteilhaft ist neben der günstigen Herstellung der Redox-Elektrode auch, dass die neuen Batterien so viele Male wieder aufgeladen werden können, ohne dass sich ein Verlust an Leistung ergibt. Genau das ist nämlich das Problem vieler bisher verwendeter Batterien bzw. Akkus: Sie lassen sich zwar immer wieder aufladen, die Lebensdauer der Stromspeicher sinkt aber. Sie können die aufgeladene Leistung mit jeder erneuten Ladung schlechter halten. Dies zeigt sich natürlich nicht in dem Maße, dass die geringere Laufzeit mit der Uhr messbar wäre – es handelt sich hier um Bruchteile an Leistungsverlusten, die sich aber mit der Zeit summieren. Die neuen Redoxelektroden hingegen lassen sich binnen kürzester Zeit voll aufladen und quittieren häufige Neuladungen nicht mit einem Leistungsverlust. Außerdem bleibt die Skalierbarkeit unabhängig von Kapazität und Leistung immer erhalten – sehr positiv für verschiedene Einsatzzwecke und Anwendungsgebiete. Bislang scheint es also, als würden die Redoxelektroden der Universität Jena rundum punkten können. Es bleibt daher zu erwarten, dass diese, wenn sie die Marktreife erlangt haben, sich durchaus gegen herkömmliche Systeme durchsetzen werden.


Bildnachweis: © Fotolia – frank peters

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Über 

Marius Beilhammer, Jahrgang 1969, studierte Journalismus in Bamberg. Er schreibt bereits viele Jahre für technische Fachmagazine, außerdem als freier Autor zu verschiedensten Markt- und Businessthemen. Als fränkische Frohnatur findet er bei seiner Arbeit stets die Balance zwischen Leichtigkeit und umfassendem Know-how durch seine ausgeprägte Affinität zur Technik.

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