Auf dem Weg zu „grü­nen“ Fluss­bat­te­rien: Neu­es For­schungs­pro­jekt der Uni­ver­si­tät Bayreuth

Symbolbild Bildung

Die lang­fri­sti­ge Spei­che­rung der aus Son­ne und Wind­kraft gewon­ne­nen Ener­gie ist für das Gelin­gen der Ener­gie­wen­de von zen­tra­ler Bedeu­tung. Fluss­bat­te­rien (Redox-Flow-Bat­te­rien) haben sich bereits als eine wirt­schaft­lich und öko­lo­gisch inter­es­san­te Form der Ener­gie­spei­che­rung erwie­sen. Ein neu­es For­schungs­pro­jekt von Prof. Dr. Bir­git Weber an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth wird nun auf eine Opti­mie­rung die­ses Bat­te­rie­typs hin­ar­bei­ten. Das Ziel ist es, den Wir­kungs­grad und die Spei­cher­ka­pa­zi­tät umwelt­freund­li­cher Fluss­bat­te­rien auf der Basis von Eisen deut­lich zu stei­gern. Das Vor­ha­ben wird von der Volks­wa­gen­Stif­tung aus dem Pro­gramm „Expe­ri­ment!“ für andert­halb Jah­re mit rund 120.000 Euro gefördert.

Mit ihrer För­der­initia­ti­ve „Expe­ri­ment!“ unter­stützt die Volks­wa­gen­Stif­tung die Start­pha­se von Pro­jek­ten, in denen neue und unge­wöhn­li­che For­schungs­ideen erprobt wer­den. Im Erfolgs­fall bie­ten die Pro­jek­te eine wert­vol­le Grund­la­ge für Inno­va­tio­nen in wich­ti­gen Berei­chen von Wirt­schaft und Gesell­schaft, nicht zuletzt im Energiesektor.

Fluss­bat­te­rien wei­sen im Ver­gleich zu Lithi­um-Ionen-Bat­te­rien, die mit festen Elek­tro­ly­ten arbei­ten, zahl­rei­che Vor­tei­le auf: Sie haben eine rela­tiv hohe Lebens­dau­er und set­zen kei­ne umwelt­schäd­li­chen Sub­stan­zen frei. Zudem macht es der modu­la­re Auf­bau der Fluss­bat­te­rien mög­lich, die Ener­gie­spei­che­rung von Lade- und Ent­la­de­vor­gän­gen räum­lich zu ent­kop­peln. Grund­sätz­lich las­sen sich mit Fluss­bat­te­rien sehr hohe Spei­cher­ka­pa­zi­tä­ten auf­bau­en, obwohl die Ener­gie­dich­te in den flüs­si­gen Elek­tro­ly­ten gering ist. Fluss­bat­te­rien, in deren Elek­tro­lyt­be­häl­tern sich gelö­stes Vana­di­um befin­det, haben sich in den letz­ten Jah­ren als eine im Prin­zip hoch­at­trak­ti­ve Spei­cher­tech­no­lo­gie erwie­sen. Aller­dings ist Vana­di­um ein sel­te­nes und teu­res Metall, das oft Ver­un­rei­ni­gun­gen auf­weist. „Heu­te gilt Eisen als der mit Abstand viel­ver­spre­chend­ste Kan­di­dat für Fluss­bat­te­rien. Es ist ein auf der Erde reich­lich vor­han­de­nes, kosten­gün­sti­ges Metall, das sich durch eine gerin­ge Toxi­zi­tät aus­zeich­net und in ver­schie­de­nen mole­ku­la­ren Umge­bun­gen ein­ge­setzt wer­den kann“, sagt Prof. Dr. Bir­git Weber, Pro­fes­so­rin für Anor­ga­ni­sche Che­mie an der Uni­ver­si­tät Bayreuth.

Eisen kommt in der zwei­wer­ti­gen Form Fe²⁺ und in der drei­wer­ti­gen Form Fe³⁺ vor, die in der For­schung als Eisen (II) und Eisen (III) bezeich­net wer­den. Bei­de For­men des Eisens bil­den mole­ku­la­re Kom­ple­xe, die in ver­schie­de­nen quan­ten­me­cha­ni­schen Zustän­den – soge­nann­ten Spin­zu­stän­den – exi­stie­ren. Äuße­re Rei­ze, zum Bei­spiel eine ver­än­der­te Umge­bungs­tem­pe­ra­tur, kön­nen einen Wech­sel des Spin­zu­stands bewir­ken. Im Rah­men des neu­en Pro­jekts soll nun die Mög­lich­keit, einen bestimm­ten Spin­zu­stand der Eisen­kom­ple­xe durch Tem­pe­ra­tur­än­de­run­gen gezielt her­bei­füh­ren zu kön­nen, für die Wei­ter­ent­wick­lung von Fluss­bat­te­rien genutzt wer­den. Es ist bereits bekannt, dass der Spin­zu­stand von Eisen­kom­ple­xen deren Redox­po­ten­zi­al beein­flusst. Hier­bei han­delt es sich um eine Mess­grö­ße für die Trieb­kraft der Redo­xre­ak­tio­nen, wie sie sich in den Elek­tro­ly­ten von Fluss­bat­te­rien abspie­len. Genau hier liegt die Chan­ce der Opti­mie­rung: Fluss­bat­te­rien, die Eisen (II) und Eisen (III) anstel­le von Vana­di­um ent­hal­ten, gewin­nen mög­li­cher­wei­se einen erheb­lich höhe­ren Wir­kungs­grad, wenn es gelingt, das Redox­po­ten­zi­al der Eisen­kom­ple­xe durch einen geziel­ten Wech­sel ihres Spin­zu­stands zu kontrollieren.

„Unser Ziel ist es, auf der Grund­la­ge von Eisen umwelt­freund­li­che und hoch­ef­fi­zi­en­te Fluss­bat­te­rien zu ent­wickeln. Die­se wer­den auf­grund ihrer hohen Spei­cher­ka­pa­zi­tät dazu bei­tra­gen kön­nen, den Anteil nach­hal­ti­ger Ener­gie­quel­len an der Ener­gie­ver­sor­gung wesent­lich zu erhö­hen“, sagt Weber.