Das Design von Flow-Batterien der nächsten Generation stellt Rekorde auf

Ein Forschungsteam des Pacific Northwest National Laboratory des US-Energieministeriums berichtet, dass die Flow-Batterie, ein Design, das für die Energiespeicherung im Stromnetz optimiert ist, ihre Fähigkeit zur Energiespeicherung und -abgabe mehr als ein Jahr lang durch kontinuierliches Laden und Entladen beibehielt.

Die Studie wurde gerade in der Fachzeitschrift veröffentlicht Joule, beschreibt die erste Verwendung eines gelösten Einfachzuckers namens β-Cyclodextrin, einem Stärkederivat, um die Lebensdauer und Kapazität von Batterien zu erhöhen. In einer Reihe von Experimenten optimierten die Wissenschaftler das Verhältnis der Chemikalien im System, bis eine um 60 Prozent höhere Spitzenleistung erreicht wurde. Dann ließen sie die Batterie mehr als ein Jahr lang immer wieder laufen und stoppten das Experiment erst, als der Kunststoffschlauch versagte. Während dieser ganzen Zeit verlor die Flow-Batterie kaum etwas an Aktivität zum Aufladen. Dies ist das erste Flow-Batterie-Experiment im Labormaßstab, das über mehr als ein Jahr Dauerbetrieb mit minimalem Kapazitätsverlust berichtet.

Das β-Cyclodextrin-Additiv ist auch das erste, das die elektrochemische Reaktion beschleunigt, die die Energie der Flow-Batterie speichert und dann freigibt, in einem Prozess, der als homogene Katalyse bezeichnet wird. Das bedeutet, dass der Zucker seine Wirkung entfaltet, während er in Lösung gelöst ist, und nicht als Feststoff, der auf eine Oberfläche aufgetragen wird.

„Dies ist ein völlig neuer Ansatz zur Entwicklung von Elektrolyten für Durchflussbatterien“, sagte Wei Wang, ein langjähriger PNNL-Batterieforscher und Hauptforscher der Studie. „Wir haben gezeigt, dass man einen völlig anderen Katalysatortyp verwenden kann, der die Energieumwandlung beschleunigt. Und da er im flüssigen Elektrolyten gelöst ist, ist außerdem die Möglichkeit ausgeschlossen, dass sich ein Feststoff löst und das System verunreinigt.“

Was ist eine Flow-Batterie?

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 Energie in chemischen Bindungen. Wenn sie an einen externen Stromkreis angeschlossen werden, geben sie diese Energie ab, die elektrische Geräte mit Strom versorgen kann. Flow-Batterien unterscheiden sich von Festkörperbatterien dadurch, dass sie über zwei externe Versorgungstanks verfügen, in denen ständig Flüssigkeit zirkuliert, um den Elektrolyten zu liefern, der sozusagen die „Blutversorgung“ des Systems darstellt. Je größer der Elektrolyt-Vorratsbehälter, desto mehr Energie kann die Flow-Batterie speichern.

Wenn sie auf die Größe eines Fußballfeldes oder mehr vergrößert werden, können Flow-Batterien als Ersatzgeneratoren für das Stromnetz dienen. Flow-Batterien sind einer der Grundpfeiler einer Dekarbonisierungsstrategie zur Speicherung von Energie aus erneuerbaren Energiequellen. Ihr Vorteil besteht darin, dass sie in jedem Maßstab gebaut werden können, vom Labormaßstab wie in der PNNL-Studie bis hin zur Größe eines Stadtblocks.

Warum brauchen wir neuartige Flow-Batterien?

Große Energiespeicher bieten eine Art Versicherungspolice gegen Störungen in unserem Stromnetz. Wenn Unwetter oder eine hohe Nachfrage die Stromversorgung von Haushalten und Unternehmen erschweren, kann die in großen Flow-Batterieanlagen gespeicherte Energie dazu beitragen, Störungen zu minimieren oder den Betrieb wiederherzustellen. Der Bedarf an diesen Flow-Batterie-Anlagen wird voraussichtlich weiter zunehmen, da die Stromerzeugung zunehmend aus erneuerbaren Energiequellen wie Wind-, Solar- und Wasserkraft erfolgt. Intermittierende Stromquellen wie diese erfordern einen Ort, an dem Energie gespeichert werden kann, bis sie zur Deckung der Verbrauchernachfrage benötigt wird.

Während es viele Flow-Batterie-Designs und einige kommerzielle Installationen gibt, sind bestehende kommerzielle Anlagen auf abgebauten Mineralien wie Vanadium angewiesen, die kostspielig und schwer zu beschaffen sind. Aus diesem Grund suchen Forschungsteams nach wirksamen Alternativtechnologien, die gängigere Materialien verwenden, die leicht zu synthetisieren, stabil und ungiftig sind.

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

Die Arbeit an Flow-Batterien ist Teil eines großen Programms bei PNNL zur Entwicklung und Erprobung neuer Technologien für die Energiespeicherung im Netzmaßstab, das mit der Eröffnung des Grid Storage Launchpad von PNNL im Jahr 2024 beschleunigt wird.

Ein wohltuendes „Zuckerwasser“ versüßt den Topf für eine effektive Flow-Batterie

Das PNNL-Forschungsteam, das dieses neue Batteriedesign entwickelt hat, besteht aus Forschern mit Hintergrund in der organischen und chemischen Synthese. Diese Fähigkeiten erwiesen sich als nützlich, als das Team sich entschied, mit Materialien zu arbeiten, die nicht für die Batterieforschung verwendet wurden, aber bereits für andere industrielle Zwecke hergestellt werden.

„Wir suchten nach einer einfachen Möglichkeit, mehr Fluorenol in unserem wasserbasierten Elektrolyten aufzulösen“, sagte Ruozhu Feng, der Erstautor der neuen Studie. „Das β-Cyclodextrin half dabei, wenn auch bescheiden, aber sein wirklicher Vorteil war seine überraschende katalytische Fähigkeit.“

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

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

Bei der Studie handelt es sich um die nächste Generation eines PNNL-patentierten Flow-Batterie-Designs, das erstmals 2021 in der Fachzeitschrift Science beschrieben wurde. Dort zeigten die Forscher, dass eine weitere gängige Chemikalie namens Fluorenon eine wirksame Flow-Batterie-Komponente ist. Dieser erste Durchbruch musste jedoch verbessert werden, da der Prozess im Vergleich zur kommerzialisierten Flow-Batterie-Technologie langsam war. Dieser neue Fortschritt macht das Batteriedesign zu einem Kandidaten für eine Skalierung, sagen die Forscher.

Gleichzeitig arbeitet das Forschungsteam daran, das System weiter zu verbessern, indem es mit anderen Verbindungen experimentiert, die β-Cyclodextrin ähneln, aber kleiner sind. Wie bei Honig wird auch durch die Zugabe von β-Cyclodextrin die Flüssigkeit dicker, was für ein fließendes System nicht ideal ist. Dennoch stellten die Forscher fest, dass die Vorteile die Nachteile überwogen.

Um die komplexe Chemie innerhalb des neuen Flow-Batterie-Designs zu verstehen, war das Fachwissen vieler Wissenschaftler erforderlich, darunter Ying Chen, Xin Zhang, Peiyuan Gao, Ping Chen, Sebastian Mergelsberg, Lirong Zhong, Aaron Hollas, Yangang Lian, Vijayakumar Murugesan, Qian Huang und Eric Walter und Yuyan Shao von PNNL sowie Benjamin JG Rousseau und Hammes-Schiffer von Yale sowie Feng und Wang.