Institutsbericht 2020
Institute of Computational Physics
Modellierung des Kapazitätsverlusts in organischen Redox-Flow-Batterien: Thermodynamik des Transports in konzentrierten Lösungen Organische Redox-Flow-Batterien (ORFB) sind ein vielversprechender, kostengünstiger und nachhaltiger Energiespeicher, der im Vergleich zu konkurrierenden Speichertechnologien eine längere Lebensdauer verspricht [1]. Ziel dieser Arbeit ist es, ein besseres Verständnis der Transportprozesse in Ionenaustauschermembranen, einer Schlüsselkomponente der Batterien hinsichtlich der Lebensdauer, zu erhalten. Das ICP arbeitet in dieser Hinsicht mit dem FlowCamp-Konsortium zusammen, einem Forschungs- und Ausbildungsprojekt, das durch das Marie-Skłodowska-Curie-Programm der Europäischen Union finanziert wird. FlowCamp umfasst 11 Partnerorganisationen aus 8 verschiedenen Ländern. Ziel der FlowCamp-Forschung ist die Verbesserung von Materialien für leistungsstarke und kostengünstige Redox-Flow-Batterien der nächsten Generation. Mitwirkende: Partner: Finanzierung: Dauer:
G. Mourouga, X. Yang, J. O. Schumacher, T. J. Schmidt, C. Iojoiu ETH Zürich, Univ. Grenoble-Alpes, JenaBatteries Europäische Kommission, Horizon 2020, Marie Skłodowska-Curie Training Networks 2018–2021
Eines der organischen Systeme, die im Rahmen des FlowCamp-Projekts untersucht werden, ist das vom Deutschen Startup JenaBatteries entwickelte rein organische Redoxpaar TEMPO/Paraquat [2]:
Das Verständnis der Transportprozesse, die zum Crossover aktiver Moleküle und zum Lösungsmitteltransfer führen, ist ein wichtiger Schritt zur Verbesserung der Batterielebensdauer und erfordert eine sorgfältige thermodynamische Formulierung des Transports in konzentrierten Lösungen.
Abb. 1. Oxidation und Reduktion von TEMPO (oben) und Paraquat (unten) über Chloridaustausch.
Diese Moleküle ergeben einen schnellen chloridgekoppelten Elektronentransferprozess, und das Fehlen von Edelmetallkatalysatoren macht diese Chemie zu einem interessanten Kandidaten für grüne, kostengünstige Energiespeicherung [2]. Ein häufiges Problem, mit dem sich ORFBs jedoch konfrontiert sehen, ist der Transfer sowohl aktiver organischer Moleküle als auch von Lösungsmittel durch die Ionenaustauschermembran, die die positive und negative Elektrode trennt.
Abb. 3. Illustration der Ladungswechselwirkungen in konzentrierten Lösungen und Ionenaustauschermembranen.
Das Ziel unserer Arbeit im FlowCamp-Projekt ist es, einen thermodynamisch konsistenten Ansatz für die Simulation des Transports in konzentrierten Lösungen bereitzustellen, einschließlich der Modellierung der chemischen Aktivität und der osmotischen Prozesse. Dieser Ansatz, der auf Ionentauschmembranen in Redox-Flow-Batterien angewandt wird, zielt auf das bessere Verständnis und die Vorhersage von Kapazitätsschwund ab und ist ein wichtiger Fortschritt für weitere Verbesserung des Membrandesigns und der Batterielebensdauer.
Abb. 2: Bild des positiven (links) und negativen (rechts) Reservoirs nach der Zyklisierung. Die Höhe war anfänglich gleich.
Zürcher Fachhochschule
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[1] X. Wei et al., “Materials and Systems for Organic Redox Flow Batteries: Status and Challenges,” ACS Energy Lett., vol. 2, no. 9, pp. 2187–2204, Sep. 2017. [2] T. Janoschka et al., “An aqueous, polymer-based redox-flow battery using non-corrosive, safe, and low-cost materials,” Nature, vol. 527, no. 7576, pp. 78–81, Oct. 2015.
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