Unter Spannung

Die Weiterentwick­lung von Redox-Flow-Batterien zur Speicherung regenerativer Energien
 

Für die Umsetzung der Energiewende müssen auch die Technologien zur Speicherung regenerativer Energien weiterentwickelt werden. Eine Lösung sind Redox-Flow-Batterien, auch Flussbatterien genannt. Für ihre Weiterentwicklung hat Wevo verschiedene Untersuchungen durchgeführt, zum Beispiel mit dem Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie (ICT).

Die Bundesregierung möchte im Zuge der Energiewende den Treibhausgasausstoß Deutschlands bis zum Jahr 2030 um 65 Prozent gegenüber 1990 deutlich verringern. Bis 2045 soll Deutschland laut Klimaschutzgesetz sogar Treibhausgasneutralität erreichen. Um die CO2- Minderungsziele in der Energiewirtschaft, der Industrie, im Verkehr, bei Gebäuden und in der Landwirtschaft zu erreichen, spielen auch die Technologien für die Speicherung regenerativer Energien eine wichtige Rolle.


Denn innovative Speichertechnologien sind die Voraussetzung dafür, dass ausreichend Energie zur Verfügung steht, auch wenn Sonne und Wind nicht verfügbar sind. Eine Alternative zu den bislang vorwiegend verwendeten Lithium-Ionen-Batterien sind zum Beispiel die sogenannten Redox-Flow-Batterien.

Vanadium-Elektrolyt: Herausforderung für Materialien

Die Energie wird bei Redox-Flow-Batterien in einem Elektrolyten, häufig auf Basis von Vanadium, gespeichert. Dieser stellt sehr hohe Anforderungen an die verwendeten Materialien und macht dadurch die Konstruktion der Batterie komplex. Speziell entwickelte, sehr chemikalienbeständige Vergussmassen, Klebstoffe und Dichtstoffe von Wevo können in diesem aggressiven Umfeld eingesetzt werden und ermöglichen mehrere Vorteile für die Batterietechnologie. Das haben diverse Tests bestätigt.

Individuelle Produkteigenschaften überzeugen

Die Vorstellung der Untersuchungsergebnisse auf dem International Flow Battery Forum 2022 in Brüssel, einer internationalen Konferenz für Flussbatterien, stieß auf sehr großes Interesse. Dadurch haben sich bereits einige Projekte ergeben, bei denen die Verwendung der Wevo-Materialien in unterschiedlichen Arten von Flussbatterien weiter getestet wird. Zum Beispiel in einem Forschungsprojekt mit der Hochschule für Angewandte Wissenschaften (HAW) in Hamburg und dem DECHEMA-Forschungsinstitut. Erforscht wird hier der Einsatz der Dicht- und Klebstoffe von Wevo in tubulären Vanadium-Redox-Flow-Batterien. In einem nächsten Schritt soll neben Vanadium-Elektrolyten auch die Beständigkeit in organischen Elektrolyten untersucht werden.

Wevo-Materialien auf dem Prüfstand

Campus des Fraunhofer ICT in Pfinztal bei Karlsruhe

Erstmals hat man die Beständigkeit von Wevo-Produkten für Redox-Flow-Batterien gemeinsam mit dem Fraunhofer ICT untersucht. Dazu wurden Prüfkörper auf Basis von Polyurethan, Epoxidharz und Silikon für 135 Tage in unterschiedlichen Oxidationsstufen des Elektrolyten ausgelagert – in V2+, in V3,5+ und in der besonders aggressiven Oxidationsstufe V5+.

Prüfung auf chemische Stabilität

Die hohe Chemikalienbeständigkeit zeigte sich zunächst durch die sehr geringe Veränderung des Gewichts der Prüfkörper. Weiter bestätigt wurde sie durch die Untersuchung der Shore-Härte, die Wevo nachträglich im eigenen Labor durchgeführt hat. Diese Ergebnisse waren insbesondere für das Silikonelastomer nicht zu erwarten. Es gab keine signifikanten Veränderungen, zudem konnte auch kein Aufquellen der Prüfkörper festgestellt werden.

Oberflächenbeschaffenheit der Prüfkörper

Für die optische Analyse der Prüfkörper wurde die Oberflächenbeschaffenheit untersucht. Dazu ritzte das Forscherteam vor der Auslagerung mit einem Cuttermesser ein kreuzförmiges Muster in die Prüfkörper. Je klarer das Kreuzmuster und je schärfer die Linien nach der Auslagerung zu erkennen sind, desto resistenter ist das Polymer gegenüber dem Elektrolyten einzuschätzen.

Wie auf den lichtmikroskopischen Aufnahmen deutlich zu erkennen ist, haben sich die eingeritzten Kreuzmuster insbesondere beim Polyurethanharz sowie beim Silikon kaum verändert – selbst im Vanadium-Elektrolyten in der Oxidationsstufe V5+. Die Konturen sind noch klar zu sehen, was auf eine sehr hohe Beständigkeit gegenüber den Elektrolyten zurückgeführt werden kann. Zudem zeigen die Lichtmikroskop-Bilder, dass sich die Farbe der Prüfkörper nicht wesentlich verändert hat, was ebenfalls eine hohe Chemikalienbeständigkeit bedeutet.

Zustand der Elektrolyten

Auch der Zustand der Elektrolyten nach der Prüfkörperauslagerung spielte eine wichtige Rolle. Da sich die meisten Elektrolyten kaum veränderten, konnte die Schlussfolgerung gezogen werden, dass keine nennenswerte Wechselwirkung der Bestandteile der Harze mit den Elektrolyten und dadurch keine zusätzlichen Oxidations- oder Reduktionsvorgänge des Vanadium-Elektrolyten selbst erfolgt sind. Das lässt ebenfalls auf eine sehr hohe Beständigkeit der Materialien in den Elektrolyten der Oxidationsstufen V2+ und V3,5+ schließen.

Die leichte Grünverfärbung im V2+-Elektrolyten ist messbedingt auf eine mögliche Oxidation mit Luftsauerstoff zurückzuführen. Die Grün- bzw. Blauverfärbung im V5+-Elektrolyten, in dem Silikon und Epoxidharz ausgelagert waren, deutet auf gewisse Reduktionsprozesse hin, was bei dieser Redoxstufe des Elektrolyten nicht unüblich ist. Die nur sehr leichte Farbveränderung des Polyurethanharzes ist daher als besonders positiv einzustufen und zeigt eine außergewöhnlich hohe Beständigkeit gegenüber dem Elektrolyten. Diese Ergebnisse konnten durch zusätzliche quantitative Analysen wie Titration und UV/VIS-Spektroskopie mit dem DECHEMA-Forschungsinstitut im Wesentlichen bestätigt werden.

Fazit

Die getesteten Wevo-Produkte haben das Potenzial, die bisher verwendeten Kautschuk- und Fluorelastomer-Dichtungen abzulösen und damit eine automatisierte Fertigung sowie neue Freiheitsgrade bei der Konstruktion zu ermöglichen. Darüber hinaus dichten sie die in der Batterie enthaltenen Komponenten sicher und formschlüssig ab – und schützen so die Bauteile und Anschlussschienen vor Korrosion. Zudem können die Materialien in weiteren Anwendungen im gesamten Batteriesystem verwendet werden, beispielsweise zum Schützen und Isolieren der Stromsammler, der Pumpen, der Durchflussmesser und Sensoren sowie der leistungselektronischen Komponenten oder als Coating für die Elektrolyttanks.

Weitere Untersuchungsergebnisse

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Bildnachweise: Bild 1: Stefan Hohloch, Bild 2: Stefan Holoch, Bild 3: Stefan Hohloch, Bild 4: Fraunhofer ICT, Bild 5: designsstock

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