Um Energie aus Sonne und Windkraft über längere Zeit zu speichern, sind Flussbatterien (Redox-Flow-Batterien) nach aktuellen Erkenntnissen sowohl vom wirtschaftlichen als auch vom ökologischen Standpunkt interessant. Diese Energie speichern zu können, ist nämlich eine Grundvoraussetzung, wenn die angestrebte Energiewende gelingen soll. Deshalb haben es sich Wissenschaftler unter der Leitung von Prof. Dr. Birgit Weber, Professorin für Anorganische Chemie an der Universität Bayreuth, zum Ziel gesetzt, diesen Batterietyp zu optimieren. Sie wollen den Wirkungsgrad und die Speicherkapazität umweltfreundlicher Flussbatterien auf der Basis von Eisen deutlich steigern.
Im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien haben Flussbatterien einige Vorteile. Sie arbeiten weder mit festen Elektrolyten noch setzen sie umweltschädlichen Substanzen frei. Dazu haben sie eine relativ hohe Lebensdauer und ihr modularer Aufbau ermöglicht es, dass die Energiespeicherung von Lade- und Entladevorgängen räumlich entkoppelt werden kann. Und es gibt weitere Pluspunkte der Flussbatterien.
Geringere Energiedichte – höhere Speicherkapaztät
Trotz geringer Energiedichte in den flüssigen Elektrolyten kann man mit Flussbatterien sehr hohe Speicherkapazitäten aufbauen. In den vergangenen Jahren hat sich gezeigt, dass insbesondere Flussbatterien, in deren Elektrolytbehältern sich gelöstes Vanadium befindet, als Speichermedium sehr interessant sind. Allerdings sei Vanadium ein seltenes und teures Metall, das oft Verunreinigungen aufweise, sagt Prof. Dr. Birgit Weber. “Heute gilt Eisen als der mit Abstand vielversprechendste Kandidat für Flussbatterien. Es ist ein auf der Erde reichlich vorhandenes, kostengünstiges Metall, das sich durch eine geringe Toxizität auszeichnet und in verschiedenen molekularen Umgebungen eingesetzt werden kann.”
Eisen kommt auf zwei verschiedene Arten vor: in der zweiwertigen Form Fe²⁺ und in der dreiwertigen Form Fe³⁺ (Eisen (II) und Eisen (III)). “Beide Formen des Eisens bilden molekulare Komplexe, die in verschiedenen quantenmechanischen Zuständen – sogenannten Spinzuständen – existieren”, erklären die Forscher. Äußere Reize, wie eine veränderte Umgebungstemperatur, könnten einen Wechsel des Spinzustands bewirken.
Anteil nachhaltiger Energiequellen an der Energieversorgung wesentlich erhöhen
Diese Eigenschaft wollen sich die Forscher nun zunutze machen und die Flussbatterien weiterentwickeln, indem sie die Möglichkeit nutzen, “einen bestimmten Spinzustand der Eisenkomplexe durch Temperaturänderungen gezielt herbeiführen zu können.” Möglicherweise könne der Wirkungsgrad von Flussbatterien, in denen das Vanadium durch Eisen (II) und Eisen (III) ersetzt wurde, erheblich gesteigert werden, wenn das Redoxpotenzial der Eisenkomplexe durch einen gezielten Wechsel ihres Spinzustands kontrolliert werden kann. “Es ist bereits bekannt, dass der Spinzustand von Eisenkomplexen deren Redoxpotenzial beeinflusst.”
Ziel des Projekts sei es, auf der Grundlage von Eisen umweltfreundliche und hocheffiziente Flussbatterien zu entwickeln, sagt Weber. “Diese werden aufgrund ihrer hohen Speicherkapazität dazu beitragen können, den Anteil nachhaltiger Energiequellen an der Energieversorgung wesentlich zu erhöhen.”
Das Projekt wird von der VolkswagenStiftung aus dem Programm “Experiment!“ für eineinhalb Jahre mit rund 120.000 Euro gefördert. Mit “Experiment!“ unterstützt die VolkswagenStiftung die Startphase von Projekten, in denen neue und ungewöhnliche Forschungsideen erprobt werden. Diese stellen im besten Fall eine wertvolle Grundlage für Innovationen in wichtigen Bereichen von Wirtschaft und Gesellschaft dar – nicht zuletzt im Energiesektor.
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Titelbild: Prof. Dr. Birgit Weber, Leiterin des neuen von der VolkswagenStiftung geförderten Forschungsprojekts. Foto: Christian Wißler.
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