Volkswagen Stiftung unterstützt Forschung zu Redox-Flow-Batterien

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Bayreuth - Die langfristige Speicherung der aus Sonne und Windkraft gewonnenen Energie ist bekanntlich für das Gelingen der Energiewende von zentraler Bedeutung. Flussbatterien (Redox-Flow-Batterien) stehen als Lösungsoption auf der Rangliste weit oben, sie sollen aber auch umweltfreundlich sein.

An der Universität Bayreuth will Prof. Dr. Birgit Weber, Professorin für Anorganische Chemie an der Universität Bayreuth, im Rahmen eines von der Volkswagen Stiftung geförderten Projekts den Weg für „grüne“ Flussbatterien ebnen. So soll das teure und seltene Vanadium in Zukunft durch Eisenkomplexe ersetzt werden.

Vorteile der Redox-Flow-Batterien gegenüber Lithium-Ionen-Batterien
Redox-Flow-Batterien weisen im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien zahlreiche Vorteile auf: Sie haben eine relativ hohe Lebensdauer und setzen keine umweltschädlichen Substanzen frei. Zudem macht es der modulare Aufbau der Flussbatterien möglich, die Energiespeicherung von Lade- und Entladevorgängen räumlich zu entkoppeln. Grundsätzlich lassen sich mit Flussbatterien sehr hohe Speicherkapazitäten aufbauen, obwohl die Energiedichte in den flüssigen Elektrolyten gering ist. Flussbatterien, in deren Elektrolytbehältern sich gelöstes Vanadium befindet, haben sich in den letzten Jahren als eine im Prinzip hochattraktive Speichertechnologie erwiesen. Allerdings ist Vanadium ein seltenes und teures Metall, das oft Verunreinigungen aufweist, so die Kritik. Im Rahmen des Forschungsprojekts soll sich das ändern.

Redox-Flow-Batterien: Eisen statt seltenes Vanadium
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 in der zweiwertigen Form Fe²⁺ und in der dreiwertigen Form Fe³⁺ vor, die in der Forschung als Eisen (II) und Eisen (III) bezeichnet werden. Beide Formen des Eisens bilden molekulare Komplexe, die in verschiedenen quantenmechanischen Zuständen – sogenannten Spinzuständen – existieren.

Forschungsziel: Gezielte Aktivierung und Steuerung der Spinzustände von Eisenkomplexen steigert Wirkungsgrad
Äußere Reize wie Temperaturschwankungen, können einen Wechsel des Spinzustands bewirken. Im Rahmen des neuen Projekts geht es darum, einen ganz bestimmten Spinzustand der Eisenkomplexe durch Temperaturänderungen gezielt herbeizuführen. Es ist bereits bekannt, dass der Spinzustand von Eisenkomplexen deren Redoxpotenzial beeinflusst. Hierbei handelt es sich um eine Messgröße für die Triebkraft der Redoxreaktionen. Genau hier liegt die Chance der Optimierung, so Birgit Weber: Flussbatterien, die Eisen (II) und Eisen (III) anstelle von Vanadium enthalten, gewinnen möglicherweise einen erheblich höheren Wirkungsgrad, wenn es gelingt, das Redoxpotenzial der Eisenkomplexe durch einen gezielten Wechsel ihres Spinzustands zu kontrollieren.