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Organische Flussbatterien: Molekül verlängert Lebensdauer auf mehrere Jahrzehnte

| Redakteur: Richard Oed

Wissenschaftlern ist es gelungen, die Lebensdauer organischer Redox-Flow-Batterien deutlich zu steigern. Dazu entwickelten sie ein neues, langzeitstabiles Molekül, das die Kapazität über einen langen Zeitraum erhält.

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Die von den Wissenschaftlern in Harvard entwickelte organische Redox-Flow-Batterie verwendet zwei unterschiedliche Elektrolyte: 2,6-DBEAQ als negatives und ein Kalium-Ferrocyanid als positives Elektrolyt.
Die von den Wissenschaftlern in Harvard entwickelte organische Redox-Flow-Batterie verwendet zwei unterschiedliche Elektrolyte: 2,6-DBEAQ als negatives und ein Kalium-Ferrocyanid als positives Elektrolyt.
(Bild: Eliza Grinnell )

Für große Speicheranwendungen sind Flussbatterien eine potenziell sicherere und kostengünstigere Alternative zu Lithium-Ionen- und zu Vanadium-Redox-Flow-Batterien. Problematisch war bisher die Langzeitbeständigkeit der verwendeten organischen Verbindungen. Dieses Problem konnten die Forscher der Harvard-Universität um Roy Gordon, Professor für Chemie und Materialwissenschaften und Michael Aziz, Professor für Materialien und Energietechnologien nunmehr lösen. "Wir entwickelten und bauten eine neue organische Verbindung, die elektrische Energie speichern kann und eine sehr lange Lebensdauer hat, bevor sie sich zersetzt", sagt Roy Gordon. Dabei griff das Team auf seine früheren Forschungen zurück und erkannte so die Abbauprozesse der Moleküle. „Dann schufen wir neue, stabilere Moleküle, die diese Probleme vermeiden.“, so Gordon weiter.

Sein Mitforscher Michael Aziz ergänzt: „Jetzt haben wir erstmals eine Zusammensetzung, die sowohl langfristig stabil ist und über mehr als 1 Volt verfügt, was gemeinhin als die Schwelle für den kommerziellen Einsatz gilt. Ich glaube, es ist die erste Flussbatterie auf organischer Basis, die alle technischen Kriterien für die praktische Umsetzung erfüllt.“ Die neue chemische Zusammensetzung, die nach der bekannten biblischen Figur den Spitznamen Methusalem-Molekül erhielt, ist ein modifiziertes Chinon. Dies ist ein in der Natur sehr häufig vorkommendes Molekül, welches für biologische Prozesse wie Photosynthese und Zellatmung unerlässlich ist und besonders oft in Farbstoffen von Blüten, Pilzen oder Bakterien vorkommt. In der technischen Chemie spielt diese Gruppe organischer Verbindungen zur Gewinnung von Wasserstoffperoxid eine Rolle.

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Betrieb über Jahrzehnte möglich

In Experimenten in ihrem Labor konnten die Forscher zeigen, dass, das Methusalem-Molekül einen Kapazitäts-Abbau von weniger als 0,01% pro Tag und weniger als 0,001% pro Lade-/Entladezyklus aufweist. Extrapoliert man diese Angaben, bedeutet das einen Verlust der Speicherleistung von nicht einmal 3% innerhalb eines Jahres, beziehungsweise 26,26% innerhalb von 10 Jahren – und einen Betrieb über Zehntausende von Zyklen. Das nächstbeste bisher gefundene Molekül, AQDS, ebenfalls ein Chinon, besitzt ein Derating von 0,1% bis 0,2% pro Tag. Die meisten Systeme mit organischen Verbindungen liegen im Bereich von 0,1% bis zu 3,5% pro Tag. Das Methusalem-Molekül stellt also gegenüber dem bisher besten Molekül eine Verbesserung der Lebensdauer um mindestens den Faktor 10 dar und verliert erst nach über 30 Jahren vollständig seine Speicherkapazität.

Methusalem, chemisch 4,40-((9,10-anthrachinon-2,6-diyl)dioxy)dibutyrat, kurz 2,6-DBEAQ, ist sehr gut löslich, das heißt, es kann mehr Energie auf kleinerem Raum aufnehmen. Die theoretische Energiedichte liegt dabei bei 17,2 Wh/L. Es arbeitet in einem schwach alkalischen Elektrolyten (pH 12) und erlaubt die Verwendung von kostengünstigen Materialien für den Behälter und einer preisgünstigen Polymermembran zur Trennung der positiven und negativen Anschlüsse. Als negatives Elektrolyt wird 2,6-DBEAQ verwendet und ein Kalium-Ferrocyanid als positives Elektrolyt. Erreicht wird dabei eine Leerlaufspannung von 1,05 V. Alle diese Fortschritte senken die Kosten für die Energiespeicherung und bringen organische Chemikalien als eine kostengünstige Option zu bestehenden Technologien ins Spiel.

Organische Moleküle sind eine Alternative

„Diese Forschung zeigt das Potenzial der Organik“, sagt David Kwabi, Postdoktorand in Harvard und Mitautor der Forschungsarbeit. „Wir zeigen, dass organische Moleküle eine funktionsfähige, langlebige und kostengünstige Alternative zu teuren Vanadiumbatterien sind.“, so Kwabi weiter.

Tatsächlich gibt das Forschungsteam eine Preisspanne von 39 US-Dollar bis 61 US-Dollar pro kW/h für die beiden Elektrolyten an, wobei 32 $/kWh auf das Kalium-Ferrocyanid entfallen, und 7 $/kWh bis 29 $/kWh auf Methusalem. Bei herkömmlichen Redox-Flow-Batterien mit einer Leerlaufspannung von 1,45 V, die ausschließlich Vanadium verwenden, liegen die Kosten für das Elektrolyt ohne die notwendige Aufbereitung bei 160 $/kWh.

Die genauen Kosten für Methusalem können allerdings erst abgeschätzt werden, wenn eine zur Massenproduktion taugliche Synthesemethode dafür entwickelt wurde. Zusammen mit dem Harvard Office of Technology Development (OTD) suchen die Forscher nach kommerziellen Partnern, um den Einsatz von organischen Flussbatterien in industrielle Anwendungen zu ermöglichen. Die vollständige Forschungsarbeit wurde in der Zeitschrift Joule veröffentlicht: Kwabi et al., Alkaline Quinone Flow Battery with Long Lifetime at pH 12, Joule (2018).

Anmerkung der Redaktion: Im dritten Absatz haben wir eine Korrektur eingefügt. Hier hieß es zuvor fälschlicherweise es gäbe einen Verlust der Speicherleistung von 30% innerhalb von 10 Jahren.

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