Institutsbericht 2020
2.1
Institute of Computational Physics
Makro-homogene Modelle für organische Flussbatterien
Redox-Flussbatterien sind eine vielversprechende Technologie zur stationären Energiespeicherung. Die Verwendung reichlich vorhandener, kostengünstiger, organischer Verbindungen stellt eine attraktive Alternative zu konventionellen Elektrolyten dar. Die Identifizierung geeigneter organischer Verbindungen für Redox-Flussbatterien ist jedoch aufgrund des grossen verfügbaren chemischen Raums eine Herausforderung. In dem europäisch geförderten Projekt SONAR wird ein mehrskaliges Modellierungs- und Optimierungsframework entwickelt, welches Hochdurchsatz-Screenings chemischer Verbindungen als auch die Optimierungen von Redox-Flussbatteriekomponenten und des gesamten Systemdesigns ermöglicht. Als Teil des mehrskaligen Modellierungsframeworks werden am ICP makrohomogene Zellmodelle in einer und drei räumlichen Dimensionen entwickelt, die eine effiziente Simulation wichtiger physikalisch-chemischer Prozesse innerhalb einer elektrochemischen Zelle erlauben. Mitwirkende: R. P. Schärer, G. Mourouga, J. K. Wlodarczyk, J. O. Schumacher Partner: Fraunhofer Institute for Chemical Technology, Fraunhofer Institute for Algorithms and Scientific Computing, Technical University of Denmark, Laboratories de Réactivité et Chimie des Solides, Karlsruhe Institute of Technology, University of New South Wales Finanzierung: Europäische Kommission, Horizon 2020 Dauer: 2020–2023 Der grosse chemische Raum, der für organische Redoxpaare zur Verfügung steht, ermöglicht eine hohe Justierbarkeit der chemischen Eigenschaften. Eines der Ziele des SONAR-Projekts [1] ist die Identifizierung vielversprechender Verbindungen für organische RedoxFlussbatterien, um die kommerzielle Nutzung sicherer und kostengünstiger Energiespeicher zu beschleunigen. Zu diesem Zweck wird im Rahmen des SONAR-Projekts ein mehrskaliges Modellierungs- und Simulationsframework entwickelt, das die mathematische Beschreibung von organischen Redox-Flussbatterien von der atomistischen bis zur Mikrogitterskala ermöglicht.
Die am ICP entwickelten makro-homogenen Kontinuumsmodelle ermöglichen die Simulation physikalisch-chemischer Effekte innerhalb einer einzelnen elektrochemischen Zelle. Die Kontinuumsmodelle beschreiben die thermodynamischen Kräfte und Flüsse von Masse und Ladung, die elektrochemischen Reaktionen des aktiven Materials in den porösen Elektroden sowie die kritischen Transportphänomene innerhalb der Membran. Einer der ersten Meilensteine ist die Entwicklung und Veröffentlichung eines benutzerfreundlichen, quelloffenen 1D-Zellenmodells für organische Redox-Flussbatterien, welches, ähnlich zum quelloffenen Brennstoffzellenmodell [2], die makroskopischen Feldgrößen wie Massenund Ladungsdichten in Durchgangsrichtung der Zellanordnung beschreibt.
Abb. 2: Vereinfachte Geometrie einer Redox-Flussbatteriezelle.
Literatur: [1] SONAR project web site: https://www.sonar-redox.eu.
Abb. 1: Skalen-spezifische Modelle, die bei der Suche nach optimalen Redoxpaaren und der Charakterisierung von Redox-Flussbatterien eingesetzt werden.
Zürcher Fachhochschule
[2] R. Vetter and J. Schumacher, “Free open reference implementation of a two-phase PEM fuel cell model”, Comput. Phys. Commun., vol. 234, pp. 223–234, Jan. 2019.
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