Günstige Speicher für Windstrom

Weltweit wird an günstigen Stromspeichern gearbeitet, die als Puffer überschüssigen Strom aus Wind- und Solaranlagen zwischenspeichern sollen. Flüssigbatterien, im Fachjargon Redox-Flow-Batterie, gelten als vielversprechende Kandidaten, da sich ihre Speicherkapazität einfach mit zusätzlichen Tanks erweitern lässt. Wissenschaftler fanden nun einen Weg, um diese Batterien auch günstig fertigen und über Jahre nutzen zu können. Ihr neues Konzept, das der Flüssigbatterie den Weg aus der Nische zum Massenmarkt ebnen könnte, präsentieren sie in der Fachzeitschrift „Nature“.

Günstige Flüssigbatterie

„Auf dem Markt sind bisher Batterien auf der Basis von Vanadium als Aktivmaterial – mit erheblichen Einschränkungen bezüglich Preis und auch der Nachhaltigkeit“, sagt Ulrich Schubert von der Friedrich Schiller Universität Jena. Daher hat er mit seinen Kollegen eine Flüssigbatterie entwickelt, die auf deutlich günstigeren Materialien sicher und mit guter Langzeitstabilität Strom speichern konnte. Die Elektroden seiner Batterie enthielten organische Substanzen – kurz Tempo und Viologen genannt. Als flüssigen Elektrolyten in der Batterie nutzen die Forscher eine einfache Kochsalzlösung und ersetzten damit die bisher genutzten, stark korrosiven und teils bromhaltigen Flüssigkeiten.

Schuberts Arbeitsgruppe setzte sich bewusst das Ziel, alle teuren Komponenten aus ihrer Flüssigbatterie zu verbannen. Daher tauschten sie das von anderen Forschergruppen favorisierte Membranmaterial Nafion gegen handelsübliche Membranen aus, die auch in Dialyse-Geräten genutzt werden und weniger als ein Zehntel kosten. Der hohe Kostenanteil der Membran an der Batteriefertigung von bisher etwa 40 Prozent könnte dadurch wesentlich reduziert werden.

Doch trotz günstiger Materialien musste die neue Batterie auch eine vergleichbare Speicherkapazität unter Beweis stellen. Das gelang mit dem Prototyp von der Größe eines Bierdeckelstapels. Bei Lade- und Entladespannungen zwischen 0,8 und 1,35 Volt erreichte die Batterie eine Speicherkapazität von zehn Wattstunden pro Liter. Die Stromdichte erreichte gute Werte von bis zu 100 Milliampere pro Quadratzentimeter und lag damit gleichauf mit Flüssigbatterien aus teureren Werkstoffen. Bei den Ladezyklen wechselten die Flüssigkeiten sogar ihre Farben zwischen orange und gelb oder ocker und blau. So ließ sich mit bloßem Auge der Ladezustand der Batterie erkennen.

Versuche mit bis zu 10 000 Ladezyklen belegten, dass die Jenaer Flüssigbatterien eine Effizienz von etwa 80 Prozent erreichten und prinzipiell für einen jahrelangen Einsatz geeignet sind. Dieser Wert könnte mit weiteren Verbesserungen noch gesteigert werden. Eine deutlich größere Version mit Elektrolyttanks für mehrere Liter Kochsalzlösung konnte in Schuberts Labor bereits getestet werden. „Damit sind sichere, nachhaltige und günstige elektrische Energiespeicher umsetzbar, die mit Lebensdauern von über 20 Jahren eine zentrale Rolle in der Energiewende darstellen könnten“, so Schubert.