Umweltfreundliche Energiespeicher: Flussbatterien auf Eisenbasis

Für eine erfolgreiche Energiewende ist es von zentraler Bedeutung, aus Sonne, Wind- oder Wasserkraft gewonnene Energie langfristig und umweltverträglich speichern zu können. Im Rahmen einer "Experiment!"-Förderung arbeitet ein Projekt an der Universität Bayreuth daran, den Wirkungsgrad und die Speicherkapazität von sogenannten Flussbatterien auf Eisenbasis deutlich zu steigern.

Frau im weißen Kittel vor Abzug
Prof. Dr. Birgit Weber vom Lehrstuhl Anorganische Chemie IV der Universität Bayreuth vor einer Apparatur zur Bestimmung von Redoxpotenzialen von Eisenkomplexen. (Foto: Christian Wißler)

Flussbatterien (Redox-Flow-Batterien) werden auch als Flüssigbatterien oder Nasszellen bezeichnet, da ihre Elektrolyte – die elektrisch leitfähigen zentralen Bestandteil der Batterie – in gelöster Form vorliegen. Im Vergleich zu Lithium-Ionen-Akkus, die mit festen Elektrolyten arbeiten, haben Flussbatterien zahlreiche Vorteile: Sie haben eine relativ hohe Lebensdauer und setzen keine umweltschädlichen Substanzen frei. Zudem macht es der modulare Aufbau der Flussbatterien möglich, die Energiespeicherung von Lade- und Entladevorgängen räumlich zu entkoppeln. Grundsätzlich lassen sich mit Flussbatterien sehr hohe Speicherkapazitäten aufbauen, obwohl die Energiedichte in den flüssigen Elektrolyten gering ist.

Eisen als Alternative zu Vanadium

In den letzten Jahren haben sich Flussbatterien, in deren Elektrolytbehältern sich gelöstes Vanadium befindet, als eine im Prinzip hochattraktive Speichertechnologie erwiesen. Allerdings ist Vanadium ein seltenes und teures Metall, das oft Verunreinigungen aufweist. "Heute gilt Eisen als der mit Abstand vielversprechendste Kandidat für Flussbatterien. Es ist ein auf der Erde reichlich vorhandenes, kostengünstiges Metall, das sich durch eine geringe Toxizität auszeichnet und in verschiedenen molekularen Umgebungen eingesetzt werden kann", sagt Prof. Dr. Birgit Weber, Professorin für Anorganische Chemie an der Universität Bayreuth.

Eine Frage des Spins

Eisen kommt in der zweiwertigen Form Fe2+ und in der dreiwertigen Form Fe3+ vor, die in der Forschung als Eisen(II) und Eisen(III) bezeichnet werden. Beide Formen des Eisens bilden molekulare Komplexe, die in verschiedenen quantenmechanischen Zuständen – sogenannten Spinzuständen – existieren. Äußere Reize, zum Beispiel eine veränderte Umgebungstemperatur, können einen Wechsel des Spinzustands bewirken.

Im Rahmen des neuen Projekts soll nun die Möglichkeit, einen bestimmten Spinzustand der Eisenkomplexe durch Temperaturänderungen gezielt herbeiführen zu können, für die Weiterentwicklung von Flussbatterien genutzt werden. Es ist bereits bekannt, dass der Spinzustand von Eisenkomplexen deren Redoxpotenzial beeinflusst. Hierbei handelt es sich um eine Messgröße für die Triebkraft der Redoxreaktionen, wie sie sich in den Elektrolyten von Flussbatterien abspielen. Genau hier liegt die Chance der Optimierung: Flussbatterien, die Eisen(II) und Eisen(III) anstelle von Vanadium enthalten, gewinnen möglicherweise einen erheblich höheren Wirkungsgrad, wenn es gelingt, das Redoxpotenzial der Eisenkomplexe durch einen gezielten Wechsel ihres Spinzustands zu kontrollieren.

"Unser Ziel ist es, auf der Grundlage von Eisen umweltfreundliche und hocheffiziente Flussbatterien zu entwickeln. Diese werden aufgrund ihrer hohen Speicherkapazität dazu beitragen können, den Anteil nachhaltiger Energiequellen an der Energieversorgung wesentlich zu erhöhen", sagt Weber.

Hintergrund: Die Förderinitiative "Experiment!"

Die VolkswagenStiftung fördert das Projekt "Switchable iron complexes as active species for redox-flow batteries: Spin Batt" im Rahmen der – inzwischen beendeten – Förderinitiativen "Experiment!" mit rund 120.000 Euro. Mit der Förderinitiative hat die VolkswagenStiftung grundlegend neue, riskante Forschungsvorhaben mit ungewissem Ausgang in der Startphase unterstützt. Ein Scheitern des Konzeptes und unerwartete Befunde werden als Ergebnis akzeptiert. Die bewilligten Projekte wurden per teil-randomisiertem Verfahren ausgewählt.