Bordipyrromethene und weitere metallfreie Verbindungen für nicht wässrige Redox-Flow-Batterien

Stipendiatin/Stipendiat: Dr. Niklas Heiland

Stationäre Speicher für regenerativen Strom
Eine Flussbatterie (Redox Flow-Batterie) ist eine Batterie zweiter Art, in der alle elektrochemisch aktiven Spezies flüssig oder in Lösung vorliegen. Dadurch können Energiespeicherung und Energieumwandlung in der Batterie unabhängig voneinander skaliert und räumlich voneinander getrennt werden: Beim Laden strömen Ionen und/oder Moleküle aus einem Tank an die positive Elektrode (negative Elektrode), werden dort oxidiert (reduziert) und schließlich zurück in das Reservoir gepumpt (s. Abbildung). Der entgegengesetzte Ablauf ist das Entladen, bei dem die elektrochemische Reaktion freiwillig abläuft und elektrischer Strom entnommen wird.

Dank ihres modularen Aufbaus und den einfachen Tanks sind Flussbatterien kostengünstiger als andere Batterietypen, wenn sehr große Strommengen gespeichert werden sollen (ab ca. 100 kWh). Sie eignen sich damit insbesondere für stationäre Stromspeicherung, zum Beispiel wenn Erzeugungsspitzen von erneuerbaren Energien gepuffert werden sollen. Flussbatterien können daher einen wichtigen Beitrag zu einem 100%ig regenerativen Strommix leisten.

Neue Moleküle für nachhaltige Flussbatterien
Alle kommerziellen Anbieter von Flussbatterien und der Großteil der Forschung setzen auf (komplexe) Vanadium-Ionen als Ladungsträger, denn damit kann der gleiche Elektrolyt auf beiden Seiten eingesetzt werden – ein enormer Vorteil, der bei der (langfristig unweigerlichen) Vermischung der beiden Elektrolyte eine irreversible Verminderung der Kapazität verhindert.

In meinem Promotionsvorhaben soll das Prinzip der gleichen Elektrolyte auf neue Klassen von Flussbatterien übertragen werden, die hinsichtlich Energiedichte, Preis und Umweltfreundlichkeit hohes Potential haben: die nicht-wässrigen und metallfreien Flussbatterien. Anstelle von Vanadium-Ionen kommen hier kleine Moleküle als Energiespeicher zum Einsatz, die strukturell modifizierbar, in Massenproduktion günstig und potentiell ungiftig sind. In Zwei-Elektrolyt-Flussbatterien wurde deren prinzipielle Eignung bereits unter Beweis gestellt, aber ein Elektrolyt für beide Halbzellen der Batterien wurde bislang noch nicht vorgestellt. Dieser soll im Rahmen des Promotionsvorhabens auf Basis eines Bordipyrromethens (BODIPY) entwickelt werden. BODIPYs eignen sich prinzipiell sehr gut als Redoxspezies für Flussbatterien, da ein und dasselbe Molekül in drei verschiedenen Redoxstufen in organischen Lösungsmitteln löslich und stabil ist. Die erreichte Offenzellspannung liegt mit mehr als 2 V deutlich über dem, was mit den verbreiteten metallbasierten wässrigen Systemen erreicht wird.

In der Promotion soll diese vielversprechende Substanzklasse elektrochemisch, chromatographisch und spektroskopisch untersucht werden. Konkret werden mit kleinen Substanzmengen neuer Derivate die grundlegenden Eigenschaften mittels Cyclovoltammetrie bestimmt. Ausgesuchte BODIPYs werden in einer Durchflusszelle elektrolysiert und die Produkte aufgereinigt und getrennt, um eventuelle Nebenprodukte zu identifizieren und deren Bildung nachzuvollziehen. In einem iterativen Verfahren sollen auf die Weise langzeitstabile BODIPYs gefunden und damit eine BODIPY-basierte Flussbatterie gebaut werden. Die benötigten BODIPYs werden in enger Absprache von dem Kooperationspartner vor Ort (Prof. Bröring, TU Braunschweig) synthetisiert.

Zusammengefasst zielt die Forschung darauf ab, verschiedene Substitutionsmuster der BODIPYs in einen systematischen Zusammenhang mit den Redoxpotentialen und der chemischen Reversibilität zu stellen. Anschließend wird das Elektrodenmaterial in die Untersuchung einbezogen und Experimente zur elektrochemischen Reversibilität durchgeführt. Schließlich werden Lösungsmittelmischung und Leitsalz optimiert. Auf den bis dahin gesammelten Erfahrungen aufbauend sollen BODIPY-Derivate entwickelt werden, welche intrinsisch leitfähig und intrinsisch flüssig sind. Damit ließe sich das sonst übliche Lösungsmittel einsparen und eine Flussbatterie bauen, deren Energiedichte die bislang veröffentlichten Ansätze deutlich übertrifft.

Förderzeitraum:
01.09.2013 - 31.08.2016

Institut:
Technische Universität Braunschweig
Institut für Ökologische und
Nachhaltige Chemie

Betreuer:
Prof. Dr. Uwe Schröder

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Publikationen: