Die Batterie der Zukunft: günstig und nachhaltiger produzierte Energiespeicher

Noch immer ist das größte Problem der erneuerbaren Energien, dass der erzeugte Strom nicht gespeichert werden kann und dadurch nicht jederzeit zur Verfügung steht. An der Friedrich-Schiller-Universität Jena wird deshalb schon länger an der Batterie der Zukunft gearbeitet. So setzt Prof. Dr. Ulrich S. Schubert bei seiner Forschung auf sogenannte Redox-Flow-Batterien auf Polymerbasis, einer Klasse von elektrochemischen Energiespeichern, die auf Basis wässriger Elektrolyte mit organischen Makromolekülen (Kunststoffen) arbeiten.

Im Interview mit COMPAMED.de spricht der Chemiker und Materialwissenschaftler darüber, weshalb er auf Polymere setzt und welche Ziele er in seinem neuen Projekt "FutureBAT", welches mit einem "ERC Advanced Grant" gefördert wird, verfolgt.

Herr Prof. Dr. Schubert, Sie setzen bei Ihrer Forschung auf Redox-Flow-Batterien auf Polymerbasis – wieso? Was sind die Vorteile dieses Typs und welche Schwierigkeiten gibt es derzeit noch?

Dr. Ulrich S. Schubert: Polymer-basierte Redox-Flow-Batterien sind eine recht neue Erfindung. Wir haben Ende 2015 in einer Publikation in der führenden Fachzeitschrift Nature erstmals diesen Batterietyp vorgestellt. Bislang ist dieser Batterietyp noch limitiert durch die relativ hohe Viskosität der Flüssigkeiten (dies reduziert die erreichbaren Energiedichten) und die begrenzten Temperaturstabilitäten. Die Vorteile sind aber die günstigen Membransysteme, die Vermeidung von Säuren oder Basen in Elektrolyten sowie die Skalierbarkeit und prinzipiellen Produktionsmöglichkeiten von organischen Polymeren.

Welche Rolle spielen die Polymere dabei?

Schubert: Redox-aktive Polymere beziehungsweise Redox-aktive organische Moleküle stellen eine Möglichkeit dar, kritische, toxische beziehungsweise teure Metalle als Aktivmaterialien in Redox-Flow-Batterien zu ersetzen. Dies ermöglicht auch eine signifikante Reduktion des CO₂-Footsprints von Batterien. Polymere können auch aus nachwachsenden Rohstoffen oder Power-2-X Technologien (das heißt, auch unter Nutzung von regenerativen Energien) hergestellt werden. Weiterhin können bei Polymer-basierten Redox-Flow-Batterien auch günstige Größenausschluss-Membranen eingesetzt werden, was die Kosten der elektrochemischen Zellen wesentlich reduziert. Weiterhin können so Batteriesysteme konstruiert werden, die keine Säure benötigen, das heißt, Salzwasser mit neutralem pH-Wert verwenden.

Welche Ziele möchten Sie im Projekt "FutureBAT" erreichen?

Dr. Schubert: Im Rahmen des ERC-Advanced-Grant-Projektes wollen wir die nächsten Generationen von Polymer-basierten Redox-Flow-Batterien entwickeln. Hierzu wollen wir nicht nur die chemischen Redox-aktiven Moleküle erweitern, sondern auch neue polymere Träger einführen, die Polymerarchitekturen variieren, neue Sensorsysteme etablieren und radikal neue Betriebskonzepte erforschen. Damit sollen zum Beispiel die Energiedichten erhöht und das Temperaturfenster erweitert werden. Damit könnten solche Batterien beispielsweise auch ohne Kühlung im Sommer unter Sonneneinstrahlung betrieben werden, oder auch in unterirdischen Kavernen Anwendung finden.

Im besten Fall gelingt Ihnen all das. Was macht die Batterie der Zukunft dann aus und wo könnten ihre Anwendungsgebiete liegen?

Dr. Schubert: Einerseits wären Anwendungen in Krankenhäusern sowie in dezentralen medizinischen Einrichtungen machbar. Auch der Einsatz in Quartierslösungen zur Speicherung von elektrischer Energie in Stadtteilen oder Dörfern sowie großen Wohnanlagen ist sehr gut vorstellbar. Andererseits reichen die Anwendungsgebiete von Polymer-basierten Redox-Flow-Batterien vom Einsatz in Solar- und Windparks, auf Fährschiffen und zur Versorgung von Containerschiffen im Hafen bis zum pumpbaren Flüssigtreibstoff in kommunalen Abfahrzeugen.