2.1 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 zur Verwendung von konventionellen Elektrolyten dar. Die Identifikation geeigneter organischer Verbindungen für Redox-Flussbatterien ist jedoch aufgrund des grossen verfügbaren chemischen Raums eine Herausforderung. In dem europäisch geförderten Projekt SONAR wird eine mehrskalige Modellierungs- und Optimierungsumgebung entwickelt, welche schnelle Screening chemischer Verbindungen als auch die Optimierungen von RedoxFlussbatteriekomponenten und des gesamten Systemdesigns ermöglicht. Als Teil der mehrskaligen Modellierungsumgebung werden am ICP makrohomogene Zellmodelle entwickelt, die eine effiziente Simulation wichtiger physikalisch-chemischer Prozesse innerhalb einer elektrochemischen Zelle erlauben.

Mitwirkende: R. P. Schärer, G. Mourouga, J. 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 Hauptziele des SONAR-Projekts [1] ist die Identifikation vielversprechender Verbindungen für organische Redox-Flussbatterien, um die kommerzielle Nutzung sicherer und kostengünstiger Energiespeicher zu beschleunigen. Zu diesem Zweck wird im Rahmen des SONAR Projekts eine mehrskalige Modellierungs- und Simulationsumgebung entwickelt, die die mathematische Beschreibung von organischen Redox-Flussbatterien von der atomistischen Skala bis zum Micro-Grid ermöglicht. Die am ICP entwickelten 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. Das von uns entwickelte 0-D U-I-SoC-Modell ermöglicht die Vorhersage der Zellleistung in Bezug auf den Ladezustand (SoC) der Batterie und die elektrische Stromdichte. Das Modell berücksichtigt die entscheidenden Aktivierungs- und Konzentrationsüberspannungen an der Elektrodenoberfläche sowie den elektro-osmotischen Effekt, der zu Volumenänderungen durch den Transfer von Lösungsmittel zwischen den Halbzellen führt. Dank der Dimensionsreduktion erlaubt das Modell eine Auswertung in Echtzeit. Abbildung 1 zeigt einen Konturplot der Zellspannung und Leistungsdichte als Funktion des Ladungszustands und der Stromdichte, wie sie vom 0-D-U-ISoC-Modell vorhergesagt werden. Vorläufige Validierungsstudien mit dem MV/TMATEMPO-System zeigen eine vielversprechende Übereinstimmung zwischen dem Modell und Polarisationsexperimenten. Eine erste Version des Modells, welches sich in aktiver Entwicklung befindet, wurde bereits als OpenSource-Software veröffentlicht [2].

Abb. 1: Vorhergesagte Zellspannung (oben) und Leistungsdichte (unten) einer elektrochemischen Zelle durch das 0-D U-I-SoC Modell.

Literatur:

[1] SONAR project web site: https://www.sonar-redox.eu [2] GitHub repository: https://github.com/Isomorph-ElectrochemicalCells