Strom aus Plas­tik

Das Jenaer Forscherteam (v. l.) Prof. Dr. Ulrich S. Schubert, Tobias Janoschka und Dr. Martin Hager mit der neuen Batterie (Bild: Anne Günther / FSU).

Das Jenaer Forscher­team (v. l.) Ul­rich Schu­bert, Tobias Janosch­ka und Mar­tin Ha­ger mit der neuen Bat­terie (Bild: FSU).

Sonne und Wind sind wich­tige er­neuer­ba­re Ener­gie­quel­len, die jedoch natürliche Schwank­ungen zei­gen: Bei star­kem Wind und strah­lendem Son­nen­schein wird zu viel, bei Wind­stille und Wol­ken da­ge­gen zu we­nig Strom pro­duziert. Für eine kon­ti­nuier­liche Strom­ver­sor­gung und sta­bile Ener­gie­netze braucht es daher Strom­spei­cher. Viel­ver­spre­chend sind Re­dox-Flow-Bat­te­rien, die aller­dings bis­lang einen ent­schei­denden Nach­teil haben: Bei dieser Bat­te­rie­tech­nik kom­men teure Me­talle und aggres­sive Säu­ren zum Einsatz.

Einen ent­schei­denden Schritt zu einer ein­fach hand­hab­baren, sicheren und zu­gleich öko­no­mischen Re­dox-Flow-Batterie ist nun einem For­scher­team der Fried­rich-Schiller-Uni­ Jena, des Zen­trums für Ener­gie und Umwelt­chemie CEEC Jena und der Jena­Batteries GmbH – einer Aus­grün­dung der Uni Jena – ge­lungen: Sie haben eine Redox-Flow-Batterie auf Basis von Poly­meren und einer un­ge­fähr­lichen Koch­salz­lö­sung ent­wic­kelt. „Das Neu­ar­tige an unserem Bat­terie­sys­tem ist, dass es deut­lich güns­tiger her­ge­stellt wer­den kann, aber dennoch fast die Kapa­zität und Leis­tung her­kömm­licher, metall- und säure­haltiger Sys­teme er­reicht“, sagt Martin Hager. Ihre Bat­terie­tech­nik prä­sen­tieren die Wissen­schaft­ler in der aktuellen Aus­gabe des renommierten Wissen­schafts­maga­zins Nature.

Bei einer Re­dox-Flow-Batterie bestehen die Elek­troden nicht aus Fest­stoffen – meist Me­talle und Metall­sal­ze – sondern liegen in ge­löster Form vor: Die Elek­trolyt­lö­sungen lagern in zwei Tanks, die den Plus- und Minus-Pol bilden und als Energie­spei­cher dienen. Mit­hilfe einer Pumpe werden sie in eine elektro­che­mi­sche Zelle gebracht, in der die Elektro­lyte chemisch reduziert bzw. oxidiert werden, so dass elek­trische Ener­gie frei wird oder gespeichert werden kann. Damit sich die Elek­trolyte nicht vermischen, ist die Zelle in der Mitte durch eine Mem­bran ge­trennt. „Bei diesen Sys­temen lassen sich Energie­menge und Leis­tung un­ab­hängig von­einander ein­stellen. Außer­dem ist die Selbst­ent­ladung sehr gering“, erklärt Martin Hager. Bis­herige Sys­teme ver­wenden als Elek­trolyte meist in Schwefel­säure gelöste Ionen des Metalls Va­na­dium. „Das ist nicht nur extrem teuer, sondern die Lösung ist zudem hoch­korrosiv, so dass eine spezielle Mem­bran nö­­tig und die Lebens­dauer der Batterie be­grenzt ist“, so Hager.

Die Redox-Flow-Batterie der Jenaer Forscher ver­wendet hin­gegen neu­artige Kunst­stoffe: Diese ähneln in ihrem grund­legenden Auf­bau Plexi­glas und Styropor, doch sie sind so um funktionale Ein­hei­ten er­gänzt, dass sie Elek­tronen auf­neh­men bzw. abgeben kön­nen. Als Lösungs­mittel sind keine aggressiven Säuren not­wendig, sondern die Polymere „schwimmen“ in einer wäss­rigen Koch­salz­lösung. „Auf diese Weise kön­nen wir eine ein­fache und preis­güns­tige Cellulose-Membran ver­wenden und auf giftige und teure Metalle verzichten“, erklärt Tobias Janoschka, Erst­autor der aktuellen Studie. „Diese auf Polymeren ba­sie­ren­de Redox-Flow-Batterie eignet sich daher ideal als Energie­speicher für große Wind­kraft- und Solar­an­lagen“, ergänzt Ulrich Schubert, Lehr­stuhl­in­haber für Organische und Makro­molekulare Chemie an der FSU Jena und Direktor des CEEC Jena – einem in Deutsch­land ein­maligen Energie­forschungs­zentrum, das ge­mein­sam von der Uni Jena und dem Fraun­hofer-Institut für Kera­mische Techno­logien und Sys­teme Hermsdorf/Dresden IKTS be­trieben wird.

Bis zu 10.000 Lade­zyklen konnte die Jenaer Redox-Flow-Batterie in ersten Tests durch­laufen ohne ent­schei­dend an Kapa­zität zu ver­lieren. Die Energie­dichte des in der aktuellen Studie vor­ge­stellten Sys­tems be­trägt zehn Watt­stunden pro Liter. Doch die Wissen­schaft­ler ar­beiten bereits an größeren, leistungs­fä­hig­eren Sys­temen. Neben der Fort­führung der Grund­lagen­for­schung innerhalb der Uni ent­wickeln die Che­mi­ker zu­dem im Rah­men des Startup-Unter­nehmens JenaBatteries ihr System zu markt­reifen Pro­duk­ten.

Referenz: T. Janoschka et al.: An aqueous, polymer-based redox-flow battery using non-corrosive, safe, and low-cost materials, Nature, online 21. Oktober 2015; DOI: doi:10.1038/nature15746

Links: Laboratory of Organic and Macromolecular Chemistry (Ulrich S. Schubert), Friedrich-Schiller-Universität JenaJenaBatteries GmbH

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