2.4 Thermodynamisch konsistenter Ansatz zur Modellierung von Redox-Flow-Batterien

Organische Redox-Flow-Batterien (ORFB) stellen einen vielversprechenden und kostengünstigen Ansatz zur stationären Speicherung elektrischer Energie dar. Dabei können längere Lebensdauern der Batterien im Vergleich zu konkurrierenden Speichertechnologien erreicht werden [1]. Das Ziel dieser Arbeit ist es, ein besseres Verständnis der Thermodynamik wässriger Elektrolyte zu erlangen, um die Leistung und Lebensdauer dieser Batterien genauer vorhersagen zu können. Das ICP arbeitet in diesem Zusammenhang mit dem FlowCamp-Konsortium zusammen, einem Forschungs- und Ausbildungsprojekt, das vom Marie-Sklodowska-Curie-Förderprogramm der Europäischen Union finanziert wird. An FlowCamp sind 11 Partnerorganisationen aus 8 verschiedenen Ländern beteiligt. Die Forschung in FlowCamp zielt auf die Verbesserung von Materialien für leistungsstarke und kostengünstige Redox-Flow-Batterien der nächsten Generation.

Mitwirkende: G. Mourouga, X. Yang, R. P. Schärer, E. Baudrin, J. O. Schumacher, T. J. Schmidt Partner: ETH Zürich, Univ. Grenoble-Alpes, JenaBatteries, Univ. Picardie Finanzierung: Europäische Kommission, Horizon 2020, Marie Skłodowska-Curie Training Networks Dauer: 2018–2021

Bei der Formulierung von Modellen für Redox-FlowBatterien wird üblicherweise die Annahme verdünnter Lösungen getroffen. Dabei befindet sich der Elektrolyt in einem hypothetischen Idealzustand, bei dem gegenseitige Wechselwirkungen der chemischen Spezies vernachlässigt werden.

Wechselwirkungen zwischen den Molekülen des Elektrolyts werden durch Korrektur der Konzentrationen mit einem Aktivitätskoeffizienten erfasst, der lösungsabhängig ist und experimentell bestimmt werden muss. Da die Wechselwirkungen den Gefrierpunkt der Lösung beeinflussen, ist es möglich, den Aktivitätskoeffizienten durch Messung des Gefrierpunkts in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Elektrolyts zu berechnen. Aktivitätskoeffizienten beeinflussen auch den osmotischen Transport von Wasser durch die Ionenaustauschermembran während des Batteriebetriebs.

Durch das Nernst'sche Gesetz ist es auch möglich, genauere Zellspannungsvorhersagen zu machen, wenn man die Berechnungen mit Aktivitäten statt mit Konzentrationen durchführt. Das Ziel unserer Arbeit im FlowCamp-Projekt ist es, einen thermodynamisch konsistenten Ansatz für die Simulation organischer Redox-Flow-Batterien zu liefern, einschliesslich der Betriebsbedingungen, der Transportprozesse und des thermischen Managements.

ideal solution Real solution

Abbildung 1: Ideale Lösung (links): Wechselwirkungen werden vernachlässigt. / Reale Lösung (rechts): Für die Elektrolyteigenschaften sind elektrostatische und kurzreichweitige Wechselwirkungen entscheidend. Abbildung 3: Positives (links) and negatives (rechts) Reservoir nach dem Durchlaufen mehrerer Lade-/Entladezyklen. Die Füllhöhe war anfangs gleich.

Abbildung 2: Gefrierpunkt von Calciumchlorid als Funktion der Molalität (links). Standardabweichung (rechts). [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