Wasserabweisende Membran mit Nano-Kanälen verspricht hocheffiziente Energiespeicherung

Wissenschaftlern des Leibniz-Instituts für Interaktive Materialien (DWI), der Aachener Verfahrenstechnik, RWTH Aachen, und der Hanyang University (Seoul) sei nun eine wesentliche Verbesserung einer Schlüsselkomponente für die Entwicklung neuer Energiespeicher-Systeme gelungen, berichtet das DWI.
Redox-Flow-Batterien speichern elektrische Energie in Form von Elektrolyten. In einer Vanadium-Redox-Flow-Batterie kommen beispielsweise in Schwefelsäure gelöste Vanadium-Ionen zum Einsatz. Zwei Energie speichernde Elektrolyte zirkulieren dabei in zwei Kreisläufen, die durch eine Membran getrennt sind. Die Speicherkapazität hängt von der Menge der Elektrolyte ab und kann individuell an die Anwendung angepasst werden. Wenn die Batterie geladen oder entladen wird, werden die Vanadium-Ionen in den beiden Elektrolyten chemisch reduziert bzw. oxidiert, und gleichzeitig wandern Protonen durch die trennende Membran.

Membran spielt eine zentrale Rolle
Die Membran spielt dabei eine zentrale Rolle: Sie muss einerseits die energiespeichernden Elektrolyte in den beiden Kreisläufen voneinander trennen, andererseits müssen die Protonen die Membran passieren können. Die Entwicklung eines Materials, das diese beiden Eigenschaften erfüllt, stellt bisher eine wesentliche Hürde dar, insbesondere hinsichtlich einer effizienten, kommerziellen Nutzung.
Als Maßstab galten bislang Membranen aus dem Polymer Nafion. Sie sind chemisch stabil und lassen Protonen passieren, haben jedoch nur eine begrenzte Barriere-Funktion für die Vanadium-Ionen. Polymerchemiker versuchen, dies zu unterdrücken, indem sie die molekularen Strukturen der Membran verändern.

Neuer Ansatz: eine Wasser abweisende Membran
Die Wissenschaftler aus Aachen und Seoul haben einen völlig anderen Ansatz gewählt. „Wir arbeiten mit einer hydrophoben, also Wasser abweisenden, Membran. Die Membran quillt nicht im Wasser und bleibt daher stabil“, erklärt Prof. Dr.-Ing. Matthias Wessling, stellvertretender wissenschaftlicher Direktor DWI und Inhaber des RWTH-Lehrstuhls für chemische Verfahrenstechnik.
„Wir waren sehr positiv überrascht, als wir festgestellt haben, dass sich in dem hydrophoben Material winzige Poren und Kanäle ausbilden, in denen Protonen problemlos und mit hoher Geschwindigkeit durch die Membran gelangen können, während die Vanadium-Ionen aufgrund ihrer Größe zurückgehalten werden.“

Forscher erreichen Energieeffizienz von bis zu fast 99 Prozent
Die Kanäle sind weniger als zwei Nanometer breit. Auch nach einer Woche bzw. 100 Lade- und Entladevorgängen war die Membran für Elektrolyt-Ionen undurchlässig. „Auf diese Weise konnten wir eine Energieeffizienz von bis zu fast 99 Prozent erreichen, je nach Stromstärke. Unsere Membran stellt also eine echte Barriere für das Vanadium dar“, so Wessling. Unabhängig von der Stromstärke konnten die Wissenschaftler in jedem Fall eine Energieeffizienz von mindestens 85 Prozent erzielen. Konventionelle Systeme erreichen dagegen höchstens 76 Prozent.

Weitere Tests geplant
Die Wissenschaftler planen jetzt weitere Tests, um die neue Membran für die Anwendung in der Redox-Flow-Batterie zu optimieren und zu prüfen, ob sie auch langfristig stabil ist.
Sollte das der Fall sein, könnte die hydrophobe Membran die Nutzung von Redox-Flow-Batterien und ähnlichen Energiespeichersystemen extrem vorantreiben, betonen die Forscher.


25.07.2016 | Quelle: DWI Leibniz-Institut für Interaktive Materialien | solarserver.de © EEM Energy & Environment Media GmbH