Neue Tools zeigen einen Weg für die großflächige Speicherung von erneuerbarer Energie

Eine Technik, die auf den Prinzipien der MRT und NMR basiert, hat es Forschern ermöglicht, nicht nur zu beobachten, wie Batterien der nächsten Generation für die Energiespeicherung im großen Maßstab funktionieren, sondern auch, wie sie versagen, was bei der Entwicklung von Strategien zur Verlängerung der Batterielebensdauer helfen wird, um den Übergang zu einer kohlenstofffreien Zukunft zu unterstützen.

Die neuen Werkzeuge, die von Forschern der University of Cambridge entwickelt wurden, werden den Wissenschaftlern helfen, effizientere und sicherere Batteriesysteme für die Energiespeicherung im Netzmaßstab zu entwerfen. Darüber hinaus kann die Technik auch auf andere Arten von Batterien und elektrochemischen Zellen angewendet werden, um die komplexen Reaktionsmechanismen zu entwirren, die in diesen Systemen auftreten, und um Fehler zu erkennen und zu diagnostizieren.

Die Forscher testeten ihre Technik an organischen Redox-Flow-Batterien, die vielversprechende Kandidaten sind, um genügend erneuerbare Energie zu speichern, um Städte mit Strom zu versorgen, die sich aber für kommerzielle Anwendungen zu schnell abbauen. Die Forscher fanden heraus, dass sie durch das Laden der Batterien mit einer niedrigeren Spannung die Degradationsrate deutlich verlangsamen und so die Lebensdauer der Batterien verlängern konnten. DieErgebnisse sind in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

Batterien sind ein wichtiger Bestandteil der Abkehr von fossilen Energieträgern. Ohne Batterien, die eine netzweite Speicherung ermöglichen, wird es unmöglich sein, die Wirtschaft ausschließlich mit erneuerbaren Energien zu versorgen. Und Lithium-Ionen-Batterien eignen sich zwar für Unterhaltungselektronik, lassen sich aber nicht ohne weiteres auf eine ausreichende Größe skalieren, um genug Energie zu speichern, um zum Beispiel eine ganze Stadt zu versorgen. Entflammbare Materialien in Lithium-Ionen-Batterien stellen außerdem ein potenzielles Sicherheitsrisiko dar. Je größer die Batterie ist, desto mehr Schaden kann sie anrichten, wenn sie in Brand gerät.

Redox-Flow-Batterien sind eine mögliche Lösung für dieses technologische Rätsel. Sie bestehen aus zwei Tanks mit Elektrolytflüssigkeit, einem positiven und einem negativen, und können einfach durch Vergrößerung der Tanks skaliert werden, was sie für die Speicherung von erneuerbarer Energie sehr geeignet macht. Diese raum- oder sogar gebäudegroßen, nicht entflammbaren Batterien könnten eine Schlüsselrolle in zukünftigen grünen Energienetzen spielen.

Mehrere Unternehmen entwickeln derzeit Redox-Flow-Batterien für kommerzielle Anwendungen, von denen die meisten Vanadium als Elektrolyt verwenden. Da Vanadium jedoch teuer und giftig ist, arbeiten Batterieforscher an der Entwicklung einer Redox-Flow-Batterie auf Basis von organischen Materialien, die billiger und nachhaltiger sind. Allerdings neigen diese Moleküle dazu, sich schnell zu zersetzen.

"Da die organischen Moleküle dazu neigen, sich schnell zu zersetzen, bedeutet dies, dass die meisten Batterien, die sie als Elektrolyte verwenden, nicht sehr lange halten, was sie für kommerzielle Anwendungen ungeeignet macht", sagt Dr. Evan Wenbo Zhao vom Cambridge Department of Chemistry und Erstautor der Studie. "Wir wussten das schon länger, aber wir haben nicht immer verstanden, warum das passiert."

Jetzt haben Zhao und seine Kollegen in der Forschungsgruppe von Professor Clare Grey in Cambridge zusammen mit Kollegen aus Großbritannien, Schweden und Spanien zwei neue Techniken entwickelt, um in das Innere von organischen Redox-Flow-Batterien zu blicken, um zu verstehen, warum der Elektrolyt zusammenbricht, und um ihre Leistung zu verbessern.

Mit Hilfe von "Echtzeit"-Studien der kernmagnetischen Resonanz (NMR), einer Art funktionellem "MRT für Batterien", und Methoden, die von Professor Greys Gruppe entwickelt wurden, konnten die Forscher Resonanzsignale von den organischen Molekülen ablesen, und zwar sowohl in ihrem ursprünglichen Zustand als auch beim Abbau zu anderen Molekülen. Diese 'operando' NMR-Studien des Abbaus und der Selbstentladung in Redox-Flow-Batterien geben Einblicke in die internen zugrundeliegenden Mechanismen der Reaktionen, wie z.B. Radikalbildung und Elektronentransfers zwischen den verschiedenen redox-aktiven Spezies in den Lösungen.

"Es gibt nur wenige mechanistischeIn-situ-Studien von organischen Redox-Flow-Batterien, Systeme, die derzeit durch Degradationsprobleme begrenzt sind", sagt Grey. "Wir müssen sowohl verstehen, wie diese Systeme funktionieren als auch wie sie versagen, wenn wir auf diesem Gebiet Fortschritte machen wollen."

Die Forscher fanden heraus, dass die organischen Moleküle unter bestimmten Bedingungen dazu neigen, sich schneller zu zersetzen. "Wenn wir die Ladebedingungen ändern, indem wir mit einer niedrigeren Spannung laden, hält der Elektrolyt länger", sagt Zhao. "Wir können auch die Struktur der organischen Moleküle verändern, so dass sie sich langsamer abbauen. Wir verstehen jetzt besser, warum die Ladebedingungen und die Molekülstrukturen eine Rolle spielen."

Die Forscher wollen ihren NMR-Aufbau nun auf andere Arten von organischen Redox-Flow-Batterien anwenden, aber auch auf andere Arten von Batterien der nächsten Generation, wie Lithium-Luft-Batterien.

"Wir sind begeistert von den vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten dieser Methode, um eine Vielzahl von elektrochemischen Systemen während ihres Betriebs zu überwachen", sagt Grey.

Die NMR-Technik soll zum Beispiel zur Entwicklung eines tragbaren Batterie-'Gesundheitscheck'-Geräts verwendet werden, um den Zustand der Batterie zu diagnostizieren.

"Mit einem solchen Gerät könnte es möglich sein, den Zustand des Elektrolyten in einer funktionierenden organischen Redox-Flow-Batterie zu überprüfen und ihn gegebenenfalls auszutauschen", sagt Zhao. "Da der Elektrolyt für diese Batterien preiswert und ungiftig ist, wäre dies ein relativ unkomplizierter Prozess, der die Lebensdauer dieser Batterien verlängern würde."

Die Forschung wurde zum Teil vom Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) und Shell finanziert.

Autor: Universität von Cambridge

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