Ungiftige und skalierbare Flow-Batterien auf Wasserbasis wären eine gute Lösung, um erneuerbare Energie in urbanen Gebieten zu speichern – wenn da nicht ihre sehr geringe Energiedichte wäre. Forscher David Reber von der Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) will mit cleverem Materialdesign Abhilfe schaffen: Zwei farbige Flüssigkeiten, die durch Röhrchen blubbern: Sieht so die Batterie der Zukunft aus? Diese Frage will Empa-Forscher David Reber in den nächsten vier Jahren beantworten mit der Unterstützung eines «Ambizione»-Grants des Schweizerischen Nationalfonds (SNF).
So genannte Redox-Flow-Batterien sind bereits seit den 1970er-Jahren bekannt. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus speichern sie die Energie nicht in festen Elektroden, sondern in Tanks mit flüssigen Elektrolytlösungen. Der Lade- und Entladevorgang geschieht nicht in den Tanks selbst: Dafür werden die Elektrolyte durch eine elektrochemische Zelle gepumpt.
Für Handys, Laptops oder Autos sind die Flüssigbatterien unpraktisch. Sehr vielversprechend sind sie hingegen für stationäre Speicherlösungen. Da die Energie ausserhalb der eigentlichen Zelle gespeichert wird, lassen sich Flow-Batterien besonders einfach und gezielt skalieren. Soll die Batterie schneller laden und entladen, braucht es eine grössere elektrochemische Zelle. Soll sie eine grössere Speicherkapazität bekommen, müssen grössere Tanks her.
«Mit zunehmender Nutzung von erneuerbaren Energien werden wir Energiespeicher im grossen Massstab brauchen – auch in urbanen Gebieten», sagt Reber.
Ein weiterer Pluspunkt für Flow-Batterien: Verwendet man Elektrolyte auf Wasserbasis, sind sie im Gegensatz zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus grundsätzlich nicht brennbar.
Ausgelagerte Energiedichte
Dennoch hat sich die Technologie bisher nicht durchgesetzt. Reber kennt das Hauptproblem: «Flow-Batterien haben eine rund zehnmal geringere Energiedichte als Batterien aus festen Speichermaterialien», erklärt er. Je mehr Speichermaterial sich im Elektrolyt auflösen lässt, desto höher die Energiedichte einer Flow-Batterie. «Allerdings machen hohe Konzentrationen die Lösung dickflüssig, und man braucht viel mehr Energie, um sie durch die Zelle zu pumpen», so der Forscher.
Genau dieses Problem will Reber in seiner Arbeit im Empa-Labor «Materials for Energy Conversion» nun lösen – mit einem ungewöhnlichen Ansatz. Während sich die meisten Projekte zu Flow-Batterien auf besser lösliche Speichermaterialien fokussieren, will er die Energiespeicherung komplett von der Elektrolytlösung entkoppeln. «Meine Vision ist, eine Art Hybrid aus einer Flow-Batterie und einer Lithium-Ionen-Batterie zu entwickeln», sagt der Forscher. Dafür will er feste Speichermaterialien, wie sie etwa in Handybatterien verwendet werden, in den Tank der Flow-Batterie geben. «Wenn das gelöste Material und das feste Speichermaterial genau aufeinander abgestimmt sind, können sie untereinander Energie transferieren», führt Reber aus. «So lässt sich die Skalierbarkeit von Flow-Batterien mit der hohen Energiedichte von Batterien mit festen Speichermaterialien kombinieren.»
Materialien gesucht
Zuerst muss der Forscher allerdings geeignete Paare von Materialien finden, die den Energieaustausch ermöglichen und auch über eine längere Zeit stabil bleiben. «Eine Redox-Flow-Batterie sollte idealerweise etwa 20 Jahre betrieben werden können», sagt er.
Ob ein Materialpaar zusammenpasst, hängt von dem sogenannten Redox-Potenzial der Stoffe ab: bei welcher Spannung sie Elektronen abgeben oder aufnehmen. «Ich habe bereits einige mögliche Paare im Sinn», sagt Reber. Und sollte ein vielversprechendes Paar nicht ganz genau übereinstimmen, können seine Redox-Potenziale mit bestimmten chemischen Handgriffen manipuliert werden. Eine von Rebers Ideen ist, als gelöstes Speichermaterial ein Chelat zu verwenden: ein mehrarmiges organisches Molekül, das sich um ein Metallion «schlingt». Je nachdem, wie viele Arme das organische Molekül – der Ligand – hat, verändert sich das Redox-Potenzial. An Chelat-basierten Redox-Flow-Batterien forschte Reber bereits während seiner Postdoc-Zeit an der «University of Colorado» in Boulder; dafür wird er im Oktober am Jahresmeeting der «Electrochemical Society» in Göteborg mit dem prestigeträchtigen «Battery Division Postdoc Award» ausgezeichnet.
Am Ende seiner «Ambizione»-Förderungszeit von vier Jahren hofft Reber, eine gut funktionierende Batterie mit einem zusätzlichen festen Speicher zu haben. «Wenn dieser Ansatz funktioniert, sind die Einsatzmöglichkeiten sehr vielfältig», sagt er. So könnten kompakte Flow-Batterien mit flexiblem Formfaktor im urbanen Raum deutlich einfacher integriert werden. «Alles, was es dafür braucht, wären Pumpen und ein paar Schläuche», ergänzt der Forscher.