Ausführliche Beschreibung des Teilprojektes

Herausforderungen und Ziele

Im Rahmen der durch die HAW Hamburg durchgeführten Forschungs- und Entwicklungsarbeiten soll die Wechselwirkung der für den Betrieb einer Vanadium-Luft-Redox-Flow-Batterie (VLRFB) relevanten Prozessparameter und Materialkenngrößen untersucht werden. Die Einflüsse dieser Parameter und Kenngrößen auf die Prozessführung sollen untersucht und die Abhängigkeiten identifiziert werden. Ziel dieser Untersuchungen ist die Ermittlung der Auslegungsgrundlagen für mikrotubuläre VLRFB-Zellen und der entsprechenden Fertigungs- und Betriebsverfahren.

Um eine kosten- und zeiteffektive Entwicklung eines mikrotubulären Zellprototyps zu realisieren, wird neben experimentellen Untersuchungen die Möglichkeit von computergestützten Modellen zur Untersuchung verschiedener Phänomene genutzt.

Ein Schwerpunkt der Arbeiten liegt in der Untersuchung und Optimierung des Stofftransports in der porösen Struktur der bifunktionalen Luft/Wasserdampf-Elektrode.

Momentan beträgt die erreichbare Energiedichte von Redox-Flow-Batterien bei 70 Wh/L, sie liegt damit weit unter der von Lithium-Ionen-Batterien (200 Wh/kg, 400-500 Wh/L). Zur Erhöhung der Energiedichte von Redox-Flow-Batterien (RFB) gibt es prinzipiell drei Ansatzpunkte:
1. höhere Konzentration der redox-aktiven Verbindung,
2. höhere Anzahl der übertragenen Elektronen pro Formeleinheit der redox-aktiven Komponente und
3. hohe elektrochemische Potentiale der beteiligten Redoxschritte.

Gleichzeitig ist für die hohe Lebensdauer einer RFB neben der thermischen und elektrochemischen Stabilität eine hohe Widerstandskraft gegenüber Sauerstoff und Wasser vonnöten. Aufgrund dieser Überlegungen wurde sich im Projekt ionischen Flüssigkeiten zugewandt, die zum einen leicht verfügbar und zum anderen chemisch sehr stabil sind. Durch die Optimierung der o. g. Punkte 1.-3. erachtet das Team eine Steigerung der Energiedichte von einer Zehnerpotenz als möglich. Insbesondere wird sehr viel vom Einbau der redox-aktiven Verbindung in die ionische Flüssigkeit als kationische oder anionische Komponente erwartet.

Erste Targets sind Vanadium-basierte Polyoxometallate (POM), die für ihre hohe elektrochemische/chemische Stabilität bekannt sind. Durch die hohe Anzahl der Vanadiumzentren in den POM kann mehr als ein Elektron pro Formeleinheit übertragen werden. Typischerweise sind dies zwei bis fünf Elektronen, sodass die zur Zeit in RFB eingesetzten V(II)/V(III)- oder V(IV)/V(V)-Ein-Elektronensysteme bei weitem übertroffen werden. Im Unterschied zu Wasser ermöglichen ionische Flüssigkeiten große elektrochemische Potentialbereiche. In Kombination mit den hohen Redoxpotentialen der Vanadiumsysteme führt dies zu einer deutlichen Steigerung der Energiedichte.

Bislang ist dem Team weltweit nur eine Gruppe am Sandia National Laboratory in den USA bekannt, die sich mit einem vergleichbaren Konzept beschäftigt, hierbei kam ein Fe(II/III)-System zum Einsatz. tubulAir± bewegt sich somit auf beinahe absolutem Neuland – aufgrund der experimentellen und auch quantenchemischen Erfahrungen in der chemischen Modellierung erhofft sich das Team einen schnellen und erfolgreichen Einstieg. Von großer Bedeutung ist bezüglich der Anwendungs- und Auslegungstechnik die Zusammenarbeit mit dem Partner vor Ort an der HAW.

Die optimierten Materialsysteme und Verfahren aus allen anderen Teilprojekten werden letztlich für die Erzeugung von Bauteilen für den Prototyp verwendet. Das an der HAW Hamburg als optimal definierte Substratmaterial wird mit den an der FAU entwickelten Methoden strukturiert und mit dem besten Katalysator aus der RWTH Aachen beschichtet. Dabei wird die notwendige Kompatibilität mit den Membranen (FumaTech), mit dem Extrusionsverfahren (Uniwell) sowie mit den Elektrolyten (Uni Hamburg) berücksichtigt.

Quellen:
http://www.tubulair.de/verbundprojekt/arbeitgebiete/auslegungsgrundlagen-und-stofftransport/ (jüngster Zugriff: 27.05.2016);
http://www.tubulair.de/verbundprojekt/arbeitgebiete/elektrolyte-mit-hoher-energiedichte/ (jüngster Zugriff: 27.05.2016);
http://www.tubulair.de/verbundprojekt/arbeitgebiete/nanostrukturierte-elektroden/ (jüngster Zugriff: 27.05.2016)

Laufzeit der angegebenen Teilprojekte: 01.11.2012 bis 31.08.2017
Fördersumme der angegebenen Teilprojekte: 4.084.016,00 €
Projektvolumen der angegebenen Teilprojekte: keine Angabe

Ausführliche Beschreibung des Verbundprojektes

Herausforderungen und Ziele

Energieeffiziente, preisgünstige Möglichkeiten, elektrischen Strom zu speichern, sind eine der zentralen Herausforderungen, die eine künftige, auf fluktuierenden Energiequellen basierende Energieversorgungsstruktur stellt.

Ziel des Verbundvorhabens ist die Entwicklung der Schlüsseltechnologien zur kostengünstigen Herstellung einer mikrotubulären Redox-Flow‐Batterie mit gesteigerter Energie‐ und Leistungsdichte für stationäre Anwendungen. Die Eignung planarer All-Vanadium-Redox-Flow-Batterien (VRB) für diesen Zweck wurde in diversen Demonstrationsprojekten nachgewiesen. Die relativ geringe Energiedichte (max. Entwicklungspotenzial: 37,5 Wh/kg) der VRB sowie die kostenaufwändige Fertigung planarer Zellstacks erfordern deutliche Verbesserungen als Voraussetzung für eine breite Markteinführung.

Hierzu soll in diesem Projekt der flüssige Elektrolyt der VRB auf der Kathodenseite (V4+/V5+‐System) durch eine Luft‐/Wasserdampf‐Elektrode ersetzt werden (Luft/Wasserdampf wird aus der Umgebung entnommen). Die Verwendung von nur einem flüssigen Elektrolyten (V2+/V3+‐System) in der negativen und Luft/Wasserdampf in der positiven Halbzelle einer Vanadium-Luft-Redox-Flow‐Batterie (VLRFB) steigert die Energiedichte somit grundsätzlich um den Faktor zwei gegenüber der VRB. Als kostengünstige Lösung wird eine VLRFB mit mikrotubulärer Zellstruktur entwickelt.

Redoxreaktionen beim Laden der VLRFB:
Positive Halbzelle: 2H2O --> 4H+ + O2 + 4e-
Negative Halbzelle: 4V3+ + 4e- --> 4V2+

Redoxreaktionen beim Entladen:
Positive Halbzelle: 4H+ + O2 + 4e- --> 2H2O
Negative Halbzelle: 4V2+ --> 4V3+ + 4e-

Standard-Zellspannung:
E0= E0(Luft/H2O) - E0V2+/V3+
E0= 1,23V - (-0,26V) = 1,49V

Quelle: http://www.tubulair.de (jüngster Zugriff: 27.05.2016)

Kurzkategorisierung

Energiespeichertypen

Redox-Flow-Systeme

Anwendungsfelder

stationär

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung, Industrie

schwarze Schlagworte: charakterisieren das Teilprojekt
graue und schwarze Schlagworte: charakterisieren das komplette Verbundprojekt

Teilprojektleiter

keine Angabe

Verbundprojektleiter

Herr Dr. Thomas Flower
Telefon: +49 40 428 75-8000

Pressekontakt für Verbundprojekt

kein Pressekontakt

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