Versüßt den Deal: Zuckerlösung steigert Leistung und Haltbarkeit von Flow-Batterien

In einer bahnbrechenden Studie des Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) haben Forscher die Kapazität und Langlebigkeit von Durchflussbatterien deutlich verbessert – sie gelten als vielversprechende Lösungen für eine nachhaltige Energiespeicherung im großen Maßstab. Durch die Zugabe eines einfachen Zuckers namens β-Cyclodextrin zum Elektrolyten einer Durchflussbatterie gelang es dem Team, die Spitzenleistung um beeindruckende 60 % zu steigern. Bemerkenswert ist, dass der Akku auch nach einem Jahr kontinuierlicher Lade- und Entladezyklen nahezu seine gesamte Kapazität behielt.

Flow-Batterien unterscheiden sich von typischen Auto- oder Laptop-Batterien dadurch, dass sie vielseitig einsetzbar und ideal für die langfristige, skalierbare Energiespeicherung geeignet sind. Da sich die Welt zunehmend auf erneuerbare Energiequellen konzentriert, wird die Energiespeicherung im Netzmaßstab, die durch Flussbatterien bereitgestellt wird, immer wichtiger. Die Technologie trägt dazu bei, die Schwankungen der erneuerbaren Energieversorgung auszugleichen, die Wind-, Solar- und Wasserkraft innewohnen, und so zuverlässigere Stromversorgungssysteme zu schaffen.

Das herkömmliche Durchflussbatteriesystem besteht aus zwei verschiedenen, getrennt gelagerten flüssigen Elektrolyten, die auf beiden Seiten einer ionenselektiven Membran zirkulieren, um bei Bedarf Strom zu erzeugen. Einer der Vorteile dieses Systems ist die Möglichkeit, es zu „betanken“ oder wieder aufzuladen, indem erschöpfte Elektrolyte durch geladene ersetzt werden.

Die PNNL-Forscher beschlossen in Zusammenarbeit mit Forschern aus Yale, den einfachen Zucker β-Cyclodextrin im Anolyten (einer Art Elektrolyt) der Batterie aufzulösen. Ursprünglich sollte der Zucker dabei helfen, mehr Fluorenol (eine Art organische Verbindung) im wasserbasierten Elektrolyten aufzulösen, doch er brachte unerwartete Vorteile mit sich.

Als erster Katalysator, der die elektrochemische Reaktion in Durchflussbatterien beschleunigt, während er in Lösung gelöst ist (ein Prozess, der als „homogene Katalyse“ bezeichnet wird), sorgte das β-Cyclodextrin für einen einzigartigen Schub. Es nimmt positiv geladene Protonen auf und schafft so ein Gleichgewicht mit den negativ geladenen Elektronen, die sich über die Zellmembran bewegen. Dieses Gleichgewicht beschleunigte die Reaktionsgeschwindigkeit und steigerte die Leistung der Batterie um satte 60 %.

Nach der Optimierung der Leistungsausbeute verlagerte sich der Fokus dann auf die Langlebigkeit. Die Haltbarkeitstestphase umfasste ein einjähriges, kontinuierliches Laden und Entladen der Batterie. Nach einem Jahr Nutzung stellten sie fest, dass die Batterie einen vernachlässigbaren Kapazitätsverlust aufwies und eine außergewöhnliche Langlebigkeit aufwies, die normalerweise bereits länger ist als bei Lithiumbatterien.

PNNL-Forscher haben Patente angemeldet und erforschen andere ähnliche Verbindungen, um möglicherweise ein effizienteres System zu schaffen. Die Lösung bietet Hoffnung auf eine nachhaltigere Energiespeicherung durch die Nutzung reichlich vorhandener und leicht zu synthetisierender Verbindungen und verringert so die Abhängigkeit von begrenzten und potenziell toxischen Materialien.

Diese Entwicklung ist Teil eines umfassenderen Programms innerhalb von PNNL, das darauf abzielt, Probleme bei der Energiespeicherung im Netzmaßstab anzugehen, und wird durch die bevorstehende Einführung des Grid Storage Launchpad von PNNL im Jahr 2024 erheblich unterstützt. Insbesondere handelt es sich hierbei um den ersten aufgezeichneten Fall einer Durchflussbatterie, der dies zeigt Haltbarkeit unter Laborbedingungen und ebnet den Weg für die weltweite Umgestaltung unserer Energiespeicherkapazitäten.

Die Forschung zur Protonen-regulierten Alkoholoxidation für Hochleistungs-Flow-Batterie-Anolyten auf Ketonbasis wurde in der Zeitschrift Joule veröffentlicht.