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Neue Elektrolyte mit hoher Energiedichte

Momentan beträgt die erreichbare Energiedichte von Redox Flow Batterien bei 70 Wh/l, sie liegt damit weit unter der von Lithium-Ionen Batterien (200 Wh/kg, 400-500 Wh/l). Zur Erhöhung der Energiedichte Redox Flow Batterien gibt es prinzipiell drei Ansatzpunkte:

1. höhere Konzentration der redox-aktiven Verbindung

2. höhere Anzahl der übertragenen Elektronen pro Formeleinheit der redox-aktiven Komponente

3. hohe elektrochemische Potentiale der beteiligten Redoxschritte

Gleichzeitig ist für die hohe Lebensdauer einer RFB neben der thermischen uns elektro-chemischen Stabilität eine hohe Widerstandskraft gegenüber Sauerstoff und Wasser vonnöten. Aufgrund dieser Überlegungen haben wir uns ionischen Flüssigkeiten zugewandt, die zum einen leicht verfügbar und zum anderen chemisch sehr stabil sind. Durch die Optimierung der o.g. Punkte 1.-3. erachten wir eine Steigerung der Energiedichte von einer Zehnerpotenz als möglich. Insbesondere erwarten wir uns sehr viel vom Einbau der redox-aktiven Verbindung in die ionische Flüssigkeit als kationische oder anionische Komponente.

Erste Targets sind Vanadium-basierte Polyoxometallate (POMs), die für ihre hohe elektrochemische/chemische Stabilität bekannt sind. Durch die hohe Anzahl der Vanadiumzentren in den POMs kann mehr als ein Elektron pro Formeleinheit übertragen werden. Typischerweise sind dies zwei bis fünf Elektronen, so dass die zur Zeit in RFB eingesetzten V(II)/V(III) or V(IV)/V(V) Ein-Elektronensysteme bei weitem übertroffen werden. Im Unterschied zu Wasser ermöglichen ionische Flüssigkeiten große elektrochemische Potentialbereiche. In Kombination mit den hohen Redoxpotentialen der Vanadiumsysteme führt dies zu einer deutlichen Steigerung der Energiedichte.

Bislang ist uns weltweit nur eine Gruppe am Sandia National Laboratory in den USA bekannt, die sich mit einem vergleichbaren Konzept beschäftigt, hierbei kam ein (Fe(II/III)) System zum Einsatz. Unser Projekt bewegt sich somit auf beinahe absolutem Neuland – aufgrund unserer experimentellen und auch quantenchemischen Erfahrungen in der chemischen Modellierung erhoffen wir uns einen schnellen und erfolgreichen Einstieg. Von großer Bedeutung ist hierbei die enge chemische Anbindung an die Elektrochemieexperten am Karl-Winnacker Institut, die Elektrodendesigngruppe an der Friedrich-Alexander-Universität in Erlangen sowie bzgl. der Anwendungs- und Auslegungstechnik die Zusammenarbeit mit dem Partner vor Ort an der HAW.

Aktuelle Publikationen
Y. Gendel, H. Roth, A. Rommerskirchen, O. David, M. Wessling

A Microtubular All CNT Gas Diffusion Electrode

Electrochemistry Communications, Volume 46, September 2014, Pages 44-47
O. David, Y. Gendel, M. Wessling

Tubular Macro-porous Titanium Membranes

Journal of Membrane Science, Volume 461, 1 July 2014, Pages 139-145
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