Überraschende Entdeckung: Neue Katalyse für Flow-Batterien

Dank eines gewöhnlichen Zuckers, der häufig als Lebensmittel- und Arzneimittelzusatz verwendet wird, berichtet ein Forschungsteam des Pacific Northwest National Laboratory des Department of Energy über einen überraschenden katalytischen Schritt, der die Kapazität einer Flow-Batterie aufrechterhält, um Energie über mehr als ein Jahr kontinuierlicher Aufladung und Entladung zu speichern und freizusetzen.

Die Studie, veröffentlicht in Joule (DOI: 10.1016/j.joule.2023.06.013), beschreibt die erste Verwendung eines aufgelösten einfachen Zuckers namens β-Cyclodextrin, einem Derivat von Stärke, um die Lebensdauer und Kapazität der Batterie zu erhöhen. In einer Reihe von Experimenten optimierten die Wissenschaftler das Verhältnis der Chemikalien im System, bis es eine 60% höhere Spitzenleistung erreichte. Dann ließen sie die Batterie immer wieder für mehr als ein Jahr zyklisieren und stoppten das Experiment nur, als das Plastikrohr versagte. Während dieser gesamten Zeit verlor die Flow-Batterie kaum an Aktivität bei der Wiederaufladung. Dies ist das erste Laborversuch einer Flow-Batterie, der über mehr als ein Jahr kontinuierlichen Gebrauch mit minimalem Kapazitätsverlust berichtet.

“Dies ist ein völlig neuer Ansatz für die Entwicklung des Elektrolyten einer Flow-Batterie”, sagte Wei Wang, ein langjähriger Batterieforscher am PNNL und der Hauptverantwortliche der Studie, in einer Pressemitteilung. “Wir haben gezeigt, dass man einen völlig anderen Katalysator verwenden kann, der darauf ausgelegt ist, die Energieumwandlung zu beschleunigen. Und außerdem, weil er in der flüssigen Elektrolytlösung gelöst ist, eliminiert es die Möglichkeit, dass ein Feststoff sich löst und das System verunreinigt.”

Zufällige Katalyse

Die Studie ist die nächste Generation eines von PNNL patentierten Flow-Batterie-Designs, das erstmals in der Zeitschrift Science im Jahr 2021 beschrieben wurde. Dort zeigten die Forscher, dass eine andere gebräuchliche Chemikalie namens Fluorenon ein wirksamer Bestandteil der Flow-Batterie ist. Aber dieser erste Durchbruch musste verbessert werden, da der Prozess im Vergleich zur kommerzialisierten Flow-Batterietechnologie langsam war.

“Wir suchten nach einer einfachen Möglichkeit, mehr Fluorenol in unserem wasserbasierten Elektrolyten zu lösen”, sagte Ruozhu Feng, der Erstautor der Studie. “Das β-Cyclodextrin half dabei, wenn auch bescheiden, aber sein wirklicher Nutzen lag in dieser überraschenden katalytischen Fähigkeit.”

Die Forscher arbeiteten dann mit Co-Autorin Sharon Hammes-Schiffer von der Yale University zusammen, einer führenden Autorität auf dem Gebiet der chemischen Reaktion, die der katalytischen Steigerung zugrunde liegt, um zu erklären, wie es funktioniert. Grundsätzlich akzeptiert das Zuckeradditiv positiv geladene Protonen, was dazu beiträgt, die Bewegung negativer Elektronen beim Entladen der Batterie auszugleichen.

Das Team arbeitet jetzt daran, das System weiter zu verbessern, indem es mit anderen Verbindungen experimentiert, die ähnlich wie β-Cyclodextrin, aber kleiner sind. Wie Honig macht auch die Zugabe von β-Cyclodextrin die Flüssigkeit dickflüssiger, was für ein strömendes System weniger ideal ist. Dennoch stellten die Forscher fest, dass die Vorteile die Nachteile überwogen.

Wie funktioniert eine Flow-Batterie

Flow-Batterien sind vollständig flüssige Systeme, die aus zwei Kammern bestehen, die jeweils mit einer anderen Flüssigkeit gefüllt sind. Die Batterien laden sich durch eine elektrochemische Reaktion auf und speichern Energie in chemischen Bindungen. Wenn sie mit einem externen Stromkreis verbunden sind, geben sie diese Energie ab, die elektrische Geräte versorgen kann. Flow-Batterien unterscheiden sich von Festkörperbatterien dadurch, dass sie zwei externe Versorgungstanks mit Flüssigkeit haben, die ständig durch sie zirkulieren, um den Elektrolyten zu liefern. Das β-Cyclodextrin löst sich in der Lösung auf, so dass es keine Feststoffe zur Batterie hinzufügt.

Vorteile der Flow-Batterie

Flow-Batterien sind auch äußerst skalierbar. Je größer der Elektrolyt-Versorgungstank, desto mehr Energie kann die Flow-Batterie speichern. Wenn sie auf die Größe eines Fußballfeldes oder mehr skaliert werden, können Flow-Batterien als Backup-Generatoren für das Stromnetz dienen, aber sie können in jeder Größe gebaut werden, von der Laborbank, wie in der PNNL-Studie, bis hin zu einem ganzen Stadtblock.

Diese Skalierbarkeit macht die Flow-Batterie besonders nützlich für die Großspeicherung von Energie bei der Nutzung intermittierender Energiequellen wie Wind, Solar- oder Wasserkraft. Wenn extreme Wetterbedingungen oder hohe Nachfrage die Stromversorgung für Haushalte und Unternehmen beeinträchtigen, kann die in großen Flow-Batterie-Anlagen gespeicherte Energie dazu beitragen, Störungen zu minimieren oder den Dienst wiederherzustellen.