Einsatzmöglichkeiten von porösen Glasmembranen in Redox-Flow-Batterien - Untersuchungen zum Einfluss von Membrandicke, Porenstruktur und Oberflächenmodifizierung

• Antragsteller: Professor Dr. Dirk Enke; Professor Dr.-Ing. Ulrich Kunz
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik ; Energieverfahrenstechnik ; Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Technische Chemie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 267002041

In der Zusammenfassung des 3. Teilberichtes des 5. Sachberichtes des Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) vom 13.04.2014 wird festgestellt, dass trotz Klimaschutzanstrengungen die weltweiten Treibhausgas-Emissionen durch Bevölkerungs- und Wirtschaftswachstum mit zunehmender Geschwindigkeit angestiegen sind. Klimaschutzmaßnahmen im Energiesektor, der größten Emissionsquelle von Treibhausgasen, müssten auf eine vollständige Dekarbonisierung zielen.Zu diesem Zweck muss der Fokus auf regenerative Energien weiter verstärkt werden. Ebenso wichtig wie die Erzeugung der Energie ist aber auch deren Speicherung. Redox-Flow-Batterien (RFB) eignen sich sehr gut, um vor allem im kleinen und mittelgroßen Maßstab Energie mit hoher Effizienz und relativ kostengünstig, z.B. verglichen mit Lithium-Ionen-Batterien, zu speichern. Ihr modularer Aufbau ermöglicht den Bau von Stacks mit wenigen einzelnen bis einigen hunderten parallelen und seriellen Zellen. Schwachpunkte dieser Zellen sind derzeit noch relativ geringe Stromdichten, hohe Materialkosten der verwendeten Membranen und ein Ionen-Crossover durch die Membranen, welches zur Ausbildung von Mischpotentialen, sowie zur Verunreinigung der verwendeten Elektrolyte führt.Während die Elektrolytsysteme in RFB stark weiter entwickelt und optimiert wurden, verwendet man als Separator immer noch hauptsächlich unporöses, kostenintensives Nafion®. Weitere Materialien und verschiedene Kombinationen werden derzeit auf deren Eignung als Separator/Membran hin untersucht. Dabei wird praktisch ausschließlich auf polymerbasierte Membranmaterialien zurückgegriffen. Mechanisch und chemisch stabile poröse Glasmembranen stellen, trotz einiger positiver Eigenschaften, noch eine weitestgehend unberücksichtigte Materialklasse dar. Poröse Glasmembranen bieten viele Möglichkeiten der Modifikation hinsichtlich der makroskopischen Geometrie, der Porengröße und der Oberflächenfunktionalität, so dass sie optimal an die Bedingungen in Redox-Flow-Batterien angepasst werden können. Mit ihnen lassen sich hohe Stromdichten und Leitfähigkeiten realisieren, sowie, durch Anpassung der Oberflächeneigenschaften, ein Minimum an Ionen-Crossover einstellen. Sie stellen damit ein ideales Modellsystem für systematische Untersuchungen hinsichtlich des Einflusses verschiedener Parameter (Porosität, Porengröße, Porenstruktur, Membrandicke, Oberflächenladung und -energie, etc.) auf die Performance von Redox-Flow-Batterien dar, die derzeit in der wissenschaftlichen Literatur kontrovers diskutiert werden.Daher erscheint es den Antragsstellern sinnvoll, diese beiden modernen Technologien miteinander auf neuartige Weise zu kombinieren. Hierfür sollen poröse Glasmembranen mit gezielt variierten Eigenschaften hergestellt und in einer Vanadium-Redox-Flow-Batterie elektrochemisch untersucht werden. Die erhaltenen Ergebnisse werden mit Nafion®-Membranen unter sonst gleichen Versuchsbedingungen referenziert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen