Redox-Flow Batterie RFB

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Redox-Flow Batterie, auch RFB, oder Durchflussbatterie genannt

Allgemeines zur Redox-Flow Batterie (RFB)

Redox-Fluss-Batterien (RFB) auf Deutsch «Durchflussbatterie» vertreten seit Kurzem die moderne elektrochemischen Energiespeicher-Systeme, die kommerziell in Grössen von 10 kW bis mehreren MW verfügbar sind. Eine Redox-Fluss-Batterie wird über eine reversible Reduktion-Oxidation-Reaktion zwischen den beiden flüssigen Elektrolyten geladen und entladen.

Vorteile der Redox-Flow Batterie

Ein Vorteil der RFB ist, die RFB ist ein variables System, welches über ein breites Spektrum an Betriebsbedingungen betrieben werden kann. Es kann leicht in intelligente Stromnetze integriert werden und es ist vorteilhaft in Verbindung mit Windparks, industriellen oder privaten Mircogrids.

Ein weiterer Vorteil ist die hohe Lebensdauer (>10’000 Lade und Entladungszyklen), geringer Wartungsaufwand und einem gesamten energetischen Wirkungsgrad (Energieeffizienz) von bis zu 90 % jedoch meist weniger.

Auch können in gewissen RFB System (VRFB, Vanadium-Vanadium) die aktiven Komponenten unkompliziert rezykliert werden. Dies dürfte ein grosser Vorteil in der zunehmenden zirkulären Wirtschaft sein. 

Auch wenn RFB’s wohl nie Einzug in die Elektroautos erhalten werden, dürften RFBs als Ladepunkte in der Mobilität 4.0 eine Rolle spielen.

Nachteile der Redox-Flow Batterie

Nachteile der RFBs sind, dass auch bei kleinen Leistungsgrössen, eine ganze Maschine notwendig ist. Daher sind auch kleine RFBs kostspielig in der Installation und erst rentabel ab einer bestimmten Leistungsgrösse und langen Betriebsdauer. Eine kommerzielle RFB ist in der Regel nicht unter 25’000 Euro (im Jahr 2022) zu erwerben. Dies hat auch mit der kleinen Stückzahl zu tun, die überhaupt hergestellt wird. Auch ist es nötig in den meisten RFBs ionenselektive Membranen einzusetzen, die im Gegensatz zu Batterieseparatoren (∼1 Euro/m2) relativ kostspielig sind.

Die populärste Variante der RFBs ist die V-RFB (VRFB)

Vanadium-Redox-Flow-Batterien-VRFB-VRB
Vanadium-Redox-Flow-Batterien-VRFB-VRB

Vanadium"-Redox-Fluss Batterie (VRB oder VRFB)

Es gibt verschiedene RFB Systeme auf dem Markt. Unter diesen nimmt die Vanadium-Redox-Fluss-Batterie (VRB oder VRFB) eine überragende Stellung ein. Im Jahr 2020 waren in etwa 50 % aller weltweit installierten RFB-Systeme vom Typ «Vanadium». Diese verwendet schwefelsaures Vanadium Elektrolyt auf beiden Seiten der Batteriezelle. Dieser Aufbau bietet Vorteile, da eine Querkontamination (es ist unwesentlich, wenn der Membran etwas aktive Ionen durchlässt) der Elektrolyte vermieden werden kann.

Während des Ladevorgangs der Batterie werden am Pluspol [V]5+ Ionen erzeugt während am Minuspol V2+ Ionen generiert werden. Während des Entladevorgangs wird das [V]5+ Ion in [V]4+ Ion reduziert und das [V]2+ Ion in [V]3+ Ion oxidiert. Die teilweise Migration und Diffusion von Ionen durch den Membran-Separator beeinträchtigt das Batteriesystem nicht, da die Atomsorte das aktive Batteriematerial auf der Kathoden- und Anoden-Seite identisch ist.

Zink-Brom-RFB und andere RFB Systeme

Denkbar sind auch andere RFB Systeme bekannt. Alle System in der Entwicklung und Forschung kämpfen um höhere Energiedichten oder geringere Kosten Elektrolyte, wie Zink-Brom, Vanadium-Brom, Polysulfid-Brom, Zink-Cer, Eisen-Chrom, Eisen-Aluminium oder die Klasse der wieder aufladbaren Metall-Luft-Systeme Zink-Luft oder Vanadium-Luft Systeme.

In den USA verbreitet (2022) ist vorwiegend das Zink-Brom-RFB System und ist weltweit das am zweitmeisten verbreite RFB System. Letzteres ist attraktiv, da Brom und Zink kostengünstige Rohstoffe sind und die elektrochemische Reaktion vorzüglich abläuft.

Aufbau der Redox-Flow Batterie RFB (Durchflussbatterie)

Eine Redox-Flow-Batterie (RFB)  ist eine wiederaufladbare Brennstoffzelle, in der ein Elektrolyt, der ein oder mehrere gelöste elektroaktive Elemente enthält, durch eine elektrochemische Zelle fliesst, die chemische Energie reversibel direkt in Elektrizität umwandelt. Elektroaktive Elemente sind «Elemente in Lösung, die an einer Elektroden-Reaktion teilnehmen oder an der Elektrode adsorbiert werden können». Weil die Elektroaktien Elemente sich wie Kathoden und Anoden verhalten, oft auch ionischen Charakter habe und in Lösung sind, werden diese seit 2015 in der Wissenschaft auch als «Anolyten» und «Katholyten» bezeichnet.

Der zusätzliche Elektrolyt wird extern gelagert, in der Regel in Tanks, und in der Regel durch die Zelle(n) des Reaktors gepumpt, obwohl auch Schwerkraftsysteme bekannt sind. Durchflussbatterien können schnell «wieder aufgeladen» werden, indem die Elektrolytflüssigkeit ausgetauscht wird (ähnlich wie beim Nachfüllen von Kraftstofftanks für Verbrennungsmotoren) und gleichzeitig das verbrauchte Material für die Wiederaufladung zurückgewonnen wird. 

In vielen Durchflussbatterien werden aufgrund der niedrigen Kosten und der ausreichenden elektrischen Leitfähigkeit Elektroden aus Kohlenstofffilz verwendet, obwohl diese Elektroden aufgrund ihrer geringen Eigenaktivität gegenüber vielen Redoxpaaren die Leistungsdichte etwas einschränken

Mit anderen Worten: Eine Durchflussbatterie ist eine elektrochemische Zelle mit der Eigenschaft, dass die ionische Lösung (Elektrolyt mit Anolyt und Katholyt) ausserhalb der Zelle (statt in der Zelle um die Elektroden herum) gelagert wird und in die Zelle eingespeist werden kann, um Strom zu erzeugen. Die Gesamtmenge an Strom, die erzeugt werden kann, hängt vom Volumen des Elektrolyts in den Tanks ab.

Redox-Flow-Batterien-RFB-Redox-Flow-VRFB-VRB
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Für Durchflussbatterien gelten die Konstruktionsprinzipien der elektrochemischen Technik.

Für Durchflussbatterien gelten die Konstruktionsprinzipien der elektrochemischen Technik.

Klassifizierung der Redox-Flow Batterie RFB (Durchflussbatterie)

Es wurden verschiedene Arten von Redox-Flow Batterien (RFBs) entwickelt, darunter anorganische Redox-Flow Batterien und organische Redox-Flow Batterien. Innerhalb jeder Kategorie können Redox-Flow Batterien in Volldurchflussbatterien, Halbdurchflussbatterien und membranlose Redox-Flow Batterien unterteilt werden.

 

 

Der grundlegende Unterschied zwischen herkömmlichen Batterien und Redox-Flow Batterien (Durchflusszellen) besteht darin, dass bei herkömmlichen Batterien die Energie im Elektrodenmaterial gespeichert wird, während sie bei Durchflusszellen im Elektrolyten gespeichert wird (In den Anolyten und Katholyten). 

Die Patentklassifikationen für Durchflussbatterien sind bis 2022 noch nicht vollständig entwickelt. Die kooperative Patentklassifikation betrachtet RFBs als eine Unterklasse von regenerativen Brennstoffzellen (H01M8/18), obwohl es auch angebracht wäre, Brennstoffzellen als eine Unterklasse von Durchflussbatterien zu betrachten.

Anorganische RFBs

Die Redox-Zelle (Reduktions-Oxidations-Zelle) ist eine reversible Zelle, in der sich redoxaktive Spezies in einem flüssigen (flüssigen oder gasförmigen) Medium befinden. Redox-Flow-Batterien sind wiederaufladbare (sekundäre) Batteriezellen.

 

Da sie einen heterogenen Elektronentransfer und keine Festkörperdiffusion oder Interkalation nutzen, ähneln sie eher Brennstoffzellen als herkömmlichen Batterien (wie Blei-Säure- oder Lithium-Ionen-Batterien). Der Hauptgrund dafür, dass Brennstoffzellen nicht als Batterien angesehen werden, liegt darin, dass Brennstoffzellen ursprünglich (in den 1810 er Jahren) als Mittel zur Erzeugung von Elektrizität direkt aus Brennstoffen (und Luft) durch einen nicht verbrennungsbedingten elektrochemischen Prozess entwickelt wurden. Später, insbesondere in den 1960 er und 1990 er Jahren, wurden wiederaufladbare Brennstoffzellen, wie die regenerativen Brennstoffzellen des Helios-Prototyps der NASA) entwickelt.

 

Beispiele für Redox-Flow-Batterien sind die Vanadium-Redox-Flow-Batterie, die Polysulfid-Bromid-Batterie (Regenesys) und die Uran-Redox-Flow-Batterie Redox-Brennstoffzellen sind kommerziell weniger verbreitet, obwohl viele Systeme vorgeschlagen wurden.

 

Vanadium-Redox-Durchflussbatterien werden derzeit am häufigsten vermarktet, da sie trotz begrenzter Energie- und Leistungsdichten Vorteile gegenüber anderen chemischen Systemen bieten. Da sie Vanadium an beiden Elektroden verwenden, kommt es zu keiner Kreuzkontamination. Die begrenzte Löslichkeit von Vanadiumsalzen macht diesen Vorteil in der Praxis jedoch wieder zunichte. Noch wichtiger für den kommerziellen Erfolg von VRFBs ist die nahezu perfekte Übereinstimmung des Spannungsfensters der Kohlenstoff/H3O+ Grenzfläche mit dem Arbeitsspannungsbereich der Vanadium-Redox-Kopplungen. 

Dies gewährleistet die Langlebigkeit der kostengünstigen Kohlenstoffelektroden und die geringe Auswirkung von Nebenreaktionen: wie die Entwicklung von H2 und O2, was zu einer rekordverdächtig langen kalendarischen (viele Jahre) und zyklischen (10.000-25.000 Zyklen) Lebensdauer führt. Dies kann wiederum zu niedrigen Energiekosten (LCoE*: Systemkosten geteilt durch die nutzbare Energie, die zyklische Lebensdauer und den Wirkungsgrad) führt.

 

Die lange Lebensdauer von RFBs ermöglicht die Amortisation ihrer relativ hohen Kapitalkosten (aufgrund von Vanadium, Kohlenstofffilzen, Bipolarplatten und Membranen).

Die Energiekosten für VRFBs liegen in der Grössenordnung von einigen Dutzend US$-Cents oder Euro-Cent pro kWh, was viel niedriger als bei Festkörperbatterien.

Zu den grössten Herausforderungen für die breite Umsetzung gehören: geringe Vorkommen und hohe Kosten von V2O5 (> 30 Euro/kg), dem Rohstoff für VRFBs (hohe Schwankungen sind bei Krisenzeiten zu erwarten); parasitäre Reaktionen, einschliesslich Wasserstoff- und Sauerstoffentwicklung; und Ausfällung von V2O5 während des Zyklus. Dies ist die Hauptantriebskraft für die Entwicklung alternativer Durchflussbatterietechnologien.

Herkömmliche Durchflussbatterien haben sowohl eine geringe spezifische Energie (was sie für vollelektrische Fahrzeuge zu schwer macht) als auch eine geringe spezifische Leistung (was sie für die stationäre Energiespeicherung zu teuer macht). Für Wasserstoff-Brom-Durchflussbatterien wurde jedoch eine hohe Leistung von 1,38 W/cm2 und für Wasserstoff-Bromat-RFBs eine hohe spezifische Energie (531 Wh/kg auf der Tankebene, ohne Machine) nachgewiesen.

* Stromgestehungskosten (engl. Levelized Cost of Electricity (LCoE) bezeichnen die Kosten, welche für die Energieumwandlung von einer anderen Energieform in elektrischen Strom notwendig sind. Sie werden in der Regel in Euro oder Dollar je Kilowattstunde, oder Megawattstunde angegeben.

Literatur und Referenzen

  1. Eduardo Sánchez-Díez, Edgar Ventosa, Massimo Guarnieri, Andrea Trovò, Cristina Flox, Rebeca Marcilla, Francesca Soavi, Petr Mazur, Estibaliz Aranzabe, Raquel Ferret,
    Redox flow batteries: Status and perspective towards sustainable stationary energy storage,
    Journal of Power Sources, 481,
    (2021) 228804
  2. Piergiorgio Alotto, Massimo, Guarnieri, Federico Moro, Redox flow batteries for the storage of renewable energy: A review, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 29 (2014), 325
  3. Adam Z. Weber,  Matthew M. Mench, Jeremy P. Meyers,  Philip N. Ross, Jeffrey T. Gostick,  Qinghua Liu, Redox flow batteries: a review, J Appl. Electrochem. (2011) 41:1137–1164.

  4. Grid2mobility-demonstrator-EPFL-Switzerland >> link

  5. Eine gigantische Batterie imUntergrund. Spektrum der Wissenschaft (2018) >> link
  6. Redox-Flow-Batterie, Wikipedia >> link
  7. Batterie-Anwendungen für Membrane, Fumatech >> link
  8. Vonlanthen, David et al.  «Composite Membranes Containing a Porous Separator and a
    Polybenzimidazole (PBI) Thin Film for Vanadium Redox Flow Batteries», Journal of The Electrochemical Society, 2020 167 100502. >> Vonlanthen-David-Composite-Membranes-Porous-Separator-Polybenzimidazole-Thin-Film-for-Batteries-Swiss-Battery-PSI

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