Redox-aktive ionische Flüssigkeiten in Redox Flow Batterien

• Antragsteller: Professor Dr. Andrea Balducci; Professor Dr. Ulrich S. Schubert
• Fachliche Zuordnung: Polymermaterialien
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 392851120

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Redox-Flow-Batterien (RFBs) sind interessante Kandidaten für die stationäre Energiespeicherung. Ihre Kapazität und Leistung können unabhängig voneinander skaliert werden, indem die Größe des Speichertanks bzw. des Zellstapels angepasst wird. Im Gegensatz zu klassischen Batterien basieren Redox-Flow-Batterien (RFBs) auf Aktivmaterialien, die in einem flüssigen Elektrolyten gelöst (suspendiert) sind. Folglich sind die erreichbaren Energiedichten aufgrund des Vorhandenseins eines nicht redoxaktiven Lösungsmittels (häufig Wasser) begrenzt. Dieses gemeinsame Projekt (Institut für Technische Chemie und Umweltchemie sowie Institut für Organische Chemie und Makromolekulare Chemie) hatte zum Ziel, redoxaktive ionische Flüssigkeiten (RAIL) als neue Materialien für Elektrolyte von RFBs zu entwickeln. Bei diesen Materialien wären alle Moleküle des flüssigen Elektrolyten redox-aktiv. Außerdem wird das begrenzte Spannungsfenster von wässrigen Elektrolyten erweitert. In diesem Zusammenhang wurde die Eignung von ILs für organische Redoxpaare untersucht, indem ILs als Elektrolyte für organische Elektroden verwendet wurden. Insbesondere TEMPO, Ferrocen und Viologen erwiesen sich als geeignete Redox-Komponenten für die Entwicklung von RAILs. Auf der Grundlage dieser drei Redoxgruppen wurden drei verschiedene RAILs erfolgreich entwickelt. Während die beiden Katholyt-Materialien (TEMPO, Ferrocen) zu RAILS führten, die bei Raumtemperatur flüssig waren, schmolz die auf Viologen basierende IL erst bei niedrigeren Temperaturen. Alle RAILs zeigten vielversprechende elektrochemische Eigenschaften, wiesen aber eine höhere Viskosität auf. Ihre Viskosität konnte durch Erhitzen oder durch Verdünnen mit einer anderen IL verringert werden. Bislang sind diese RAILs für RFBs nicht wirklich geeignet, da ihre Viskosität zu hoch und die Ionenleitfähigkeit des Gegenions durch die erforderlichen Membranen zu gering ist. Darüber hinaus könnten die IL-Bausteine auch für die Entwicklung redoxaktiver Polymere verwendet werden, die in Redox-Flow-Batterien zum Einsatz kommen können. So wurde zum Beispiel ein organolösliches Poly(RAIL) auf der Basis von Viologen hergestellt.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• A Comparative Review of Electrolytes for Organic‐Material‐Based Energy‐Storage Devices Employing Solid Electrodes and Redox Fluids. ChemSusChem, 13(9), 2205-2219.
  Chen, Ruiyong; Bresser, Dominic; Saraf, Mohit; Gerlach, Patrick; Balducci, Andrea; Kunz, Simon; Schröder, Daniel; Passerini, Stefano & Chen, Jun
  
• A Critical Analysis about the Underestimated Role of the Electrolyte in Batteries Based on Organic Materials. ChemElectroChem, 7(11), 2364-2375.
  Gerlach, Patrick & Balducci, Andrea
  
• Aprotic and Protic Ionic Liquids as Electrolytes for Organic Radical Polymers. Journal of The Electrochemical Society, 167(12), 120546.
  Gerlach, P.; Burges, R.; Lex-Balducci, A.; Schubert, U. S. & Balducci, A.
  
• Aqueous Redox Flow Battery Suitable for High Temperature Applications Based on a Tailor‐Made Ferrocene Copolymer. Advanced Energy Materials, 10(41).
  Borchers, Philipp S.; Strumpf, Maria; Friebe, Christian; Nischang, Ivo; Hager, Martin D.; Elbert, Johannes & Schubert, Ulrich S.
  
• Emulsion Polymerizations for a Sustainable Preparation of Efficient TEMPO‐based Electrodes. ChemSusChem, 14(1), 449-455.
  Muench, Simon; Gerlach, Patrick; Burges, René; Strumpf, Maria; Hoeppener, Stephanie; Wild, Andreas; Lex‐Balducci, Alexandra; Balducci, Andrea; Brendel, Johannes C. & Schubert, Ulrich S.
  
• A Viologen Polymer and a Compact Ferrocene: Comparison of Solution Viscosities and Their Performance in a Redox Flow Battery with a Size Exclusion Membrane. Macromolecular Chemistry and Physics, 223(2). Portico.
  Borchers, Philipp S.; Elbert, Johannes; Anufriev, Ilya; Strumpf, Maria; Nischang, Ivo; Hager, Martin D. & Schubert, Ulrich S.
  
• Ferrocene containing redox-responsive poly(2-oxazoline)s. Chemical Communications, 57(11), 1308-1311.
  Borchers, Philipp S.; Dirauf, Michael; Strumpf, Maria; Görls, Helmar; Weber, Christine; Hager, Martin D. & Schubert, Ulrich S.
  
• The influence of current density, rest time and electrolyte composition on the self-discharge of organic radical polymers. Electrochimica Acta, 377, 138070.
  Gerlach, P. & Balducci, A.
  
• The Influence of the Nature of Redox-Active Moieties on the Properties of Redox-Active Ionic Liquids and on Their Use as Electrolyte for Supercapacitors. Energies, 14(19), 6344.
  Borchers, Philipp S.; Gerlach, Patrick; Liu, Yihan; Hager, Martin D.; Balducci, Andrea & Schubert, Ulrich S.
  
• Enhancing Capacity and Stability of Anionic MOFs as Electrode Material by Cation Exchange. Frontiers in Chemistry, 10.
  Akintola, Oluseun; Gerlach, Patrick; Plass, Christian T.; Balducci, Andrea & Plass, Winfried