Die nächste Generation von Batteriespeichern!

Neue molekulare Membranen könnten die Kosten für die Speicherung regenerativer Energie deutlich senken. Die Fähigkeit, bestimmte Ionen nahezu ohne Reibung passieren zu lassen, bietet Verbesserungen für Batterien, Brennstoffzellen und andere elektrochemische Geräte.

Batteriespeicher
Batteriespeicher unterstützen die Energiewende

An neuen Technologien zur Verbesserung der Leistung von Batterien, Brennstoffzellen und Elektrolyseuren, die aus Strom grünen Wasserstoff und andere Kraftstoffe herstellen, wird intensiv geforscht.

Von derartigen Fortschritten dürfte besonders eine optimierte „Flow-Batterie“ profitieren. Dieser Batterietyp wird für die Speicherung erneuerbarer Energien immer interessanter. So könnte sich die Geschwindigkeit, mit der die Batterie Strom liefert, um das Fünffache erhöhen. Dieser Leistungssprung würde die Kosten für die Speicherung regenerativer Energie in den Stromnetzen drastisch senken und den vollständigen Umstieg von fossilen Brennstoffen auf erneuerbare Energien beschleunigen.

Die Arbeitsweise von Flow-Batterien

Im Kern arbeiten Batterien, Brennstoffzellen und andere elektrochemische Geräte sehr ähnlich. Sie haben typischerweise zwei Elektroden, die durch eine Membran voneinander getrennt sind. Diese reguliert den Fluss ladungstragender Ionen durch einen flüssigen Elektrolyten. Wenn diese Geräte geladen oder entladen werden, wandern Elektronen durch einen externen Draht. Dabei passieren ladungstragende Ionen die Membran von einer Elektrode zur anderen und gleichen so die elektrischen Ladungen aus. Der Membran kommt eine tragende Rolle, da sie wie ein molekularer Torwächter fungiert. Somit lässt sie nur bestimmte Ionen durch, blockiert aber gleichzeitig alle anderen. In dieser „Wächter-Funktion“ sind die Membranen jedoch zu eifrig und verlangsamen den Durchgang von Ionen, was die Geräteleistung beeinträchtigt.

Redox-Flow-Batterien als Basis

In einer bekannten Version von »Flow-Batterien«, der Redox-Flow-Batterien bezeichnet, lassen die Membranen positiv geladene Kaliumionen zwischen den beiden Seiten der Membran hin und her passieren, blockieren aber die Passage organischer Verbindungen, die den Betrieb der Batterie beeinträchtigen könnten. Sie enthalten herkömmliche Membranen aus organischen Polymeren, die sicherzustellen, dass nur Kaliumionen bewegt werden. Leider sind die Polymere in diesen Membranen nicht vollkommen dimensionsstabil, denn sie stoßen an die Ionen zu stoßen verlangsamen den gesamten Prozess.

Neue Membrantechnologie für verbesserte Leistung

Forscher an der University of Science and Technology of China haben nun eine Membrangeneration aus einem Polymer vorgestellt, das in der Batterieforschung bereits als »Triazin-Gerüst« bekannt ist. Das Polymer ist in der Lage, sich zu einem starren Gerüst zusammenzusetzen. Es ist mit winzigen Poren durchsetzt, die klein genug sind, um alle außer Wassermolekülen und kleinste Ionen am Durchgang zu hindern. Die Wassermoleküle helfen den geladenen Ionen helfen, durch die Poren zu gleiten.

Als die Forscher, darunter Kollegen aus dem Vereinigten Königreich und Deutschland, dann die beste Iteration ihrer neuen Membran einsetzten, um eine wässrige organische Redox-Flow-Batterie herzustellen, ermöglichte der glattere Ionenfluss den Batterien, sich fünfmal schneller zu entladen und aufzuladen als ähnliche Batterien auf der Basis traditioneller Membranen.

Die neuen Membranen müssen sich nun als langlebig und zuverlässig genug für den industriellen Einsatz erweisen. Auf der Basis der Erkenntnisse müsse nun die weltweite Batterieforschung in die Lage versetzt werden, die Prinzipien der Forschung mit den neuen molekularen Membranen zu übernehmen. So würden dann Membransystem für viele Anwendungen entworfen, was die Speichersysteme einer breiten Palette von regenerativen Energietechnologien verbessern würde.

Dieser Fortschritt kann dazu beitragen, eine der größten Bedenken bei der Umstellung der Gesellschaft auf erneuerbare Energien anzugehen, nämlich die Bereitstellung von Energie, wenn die Sonne nicht scheint und es windstill ist. Diese als Dunkelflaute bezeichneten Phasen ohne Wind und Sonne gelten heute als das größte Argument gegen den verstärkten Einsatz von regenerativer Energieerzeugung.

Die Wirkung und die Zukunft

Hocheffiziente und wirtschaftlich günstige Membranen bedeuten, dass kleinere, billigere Batterien die gleiche Energiemenge speichern können, um so die Verbraucher in Dunkelflauten zu versorgen. Damit würden auch die Kosten für Elektrolyseure gesenkt werden, die erneuerbaren Strom in Wasserstoff und andere Brennstoffe umwandeln, die man sehr gut speichern kann.

Optimierte Membranen, wie die des nun vorgestellten Systems aus China, würde die Speichertechnologien revolutionieren. Die hohen Kosten für Brennstoffzellen würden damit der Vergangenheit angehören. Die Wissenschaft arbeitet mit Hochdruck an derartigen Optimierungsmöglichkeiten für Batterien, Brennstoffzellen und anderen elektrochemischen Geräten. Es bleibt zu hoffen, dass wir alle die Früchte dieser wertvollen Arbeit im Wettlauf der Zeit gegen die Erderwärmung noch rechtzeitig ernten können.