Entwicklung eines thermodynamischen Modells für die reversible Zellspannung von All-Vanadium Redox-Flow-Batterien

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Maximilian Kohns
• Fachliche Zuordnung: Technische Thermodynamik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 464239829

Die All-Vanadium Redox-Flow-Batterie (AVRFB) ist eine vielversprechende Technologie zur elektrochemischen Energiespeicherung und kann einen wichtigen Beitrag zum Gelingen der Energiewende leisten. In der AVRFB werden schwefelsaure wässrige Lösungen von Vanadiumspezies verschiedener Oxidationsstufen eingesetzt. Diese Elektrolytlösungen werden durch die beiden Halbzellen einer elektrochemischen Zelle gepumpt, in der Redoxreaktionen ablaufen. Hierdurch kann die Batterie Energie speichern oder Arbeit leisten. Eine bedeutende Kenngröße der AVRFB ist die Zellspannung. Ausgangspunkt für deren Beschreibung ist das elektrochemische Gleichgewicht, also der stromlose Zustand, in dem die reversible Zellspannung an der Zelle anliegt. Diese wird durch die Nernst-Gleichung beschrieben. Da jedoch die Aktivitätskoeffizienten der Spezies in den AVRFB-Elektrolytlösungen unbekannt sind, kann die Nernst-Gleichung nach aktuellem Stand der Forschung nicht rigoros ausgewertet werden. Hieraus resultieren große Unsicherheiten bei der Entwicklung von Modellen für die AVRFB. Ziel des vorliegenden Projekts ist es, ein thermodynamisches Modell für die Aktivitätskoeffizienten in den AVRFB-Elektrolytlösungen zu entwickeln, sodass die Nernst-Gleichung anwendbar wird. Hierzu werden umfangreiche Messungen der Aktivität mit der isopiestischen Methode sowie Messungen der reversiblen Zellspannung durchgeführt. Auf Basis des experimentellen Datensatzes wird das thermodynamische Modell entwickelt und anhand weiterer Messungen der reversiblen Zellspannung validiert. Mit dem thermodynamischen Modell werden die Löslichkeitsprodukte der verschiedenen Vanadiumsalze aus publizierten Löslichkeitsdaten ermittelt. Anschließend erfolgt eine systematische Optimierung der Elektrolytzusammensetzung hinsichtlich der reversiblen Zellspannung unter Beachtung der Löslichkeiten als Randbedingung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen