Wie können Redox-Flow-Batterien bei einer Lade- und Entladezeit von über 6 Stunden eine langfristige Energiespeicherung erreichen?

□ Zhao Jialiang

Vor Kurzem haben das Ministerium für Wirtschaft und Informationstechnologie der Provinz Sichuan und sechs weitere Ministerien gemeinsam den „Umsetzungsplan zur Förderung der qualitativ hochwertigen Entwicklung der Vanadiumbatterie-Energiespeicherindustrie“ herausgegeben. Dieser Plan ist die erste Sondermaßnahme für die Vanadiumbatterieindustrie des Landes und markiert einen wichtigen Schritt für Sichuan von einer Provinz mit reichlich Vanadiumvorkommen zu einer Provinz mit reichlich Vanadiumbatterien.

Vanadiumbatterien (chemisches Symbol ist V), vollständiger Name: All-Vanadium-Flüssigkeitsdurchflussbatterien, nutzen hauptsächlich die Valenzänderung von Vanadiumionen, um elektrische Energie zu speichern und freizusetzen. Aus Sicht des Funktionsprinzips besteht der größte Unterschied zwischen Vanadiumbatterien und Lithium-Ionen-Batterien darin, dass es sich bei den leitfähigen Ionen hauptsächlich um Vanadiumionen unterschiedlicher Wertigkeitszustände handelt. Während des Ladens verliert V4+ an der positiven Elektrode Elektronen und wird zu V5+, und V3+ an der negativen Elektrode gewinnt Elektronen und wird zu V2+. Beim Entladen ist das Gegenteil der Fall. Strukturell gesehen verfügen Vanadiumbatterien im Gegensatz zu Lithiumbatterien, bei denen der Elektrolyt im Inneren der Batterie integriert ist, auf jeder Seite der positiven und negativen Elektroden über einen Elektrolytspeichertank, der über eine Umwälzpumpe zur Reaktion ins Innere der Batterie transportiert wird.

Tatsächlich ist die Vollvanadium-Flüssigkeitsflussbatterie nur ein Vertreter der Familie der Flüssigkeitsflussbatterien. Aus Sicht der Produktklassifizierung können Flüssigkeitsdurchflussbatterien je nach Elektrolytsystem in mehr als 20 technische Varianten unterteilt werden, darunter reine Vanadium-, Zink-Eisen-, Zink-Brom- und Eisen-Chrom-Batterien. Der Kern aller dieser Systeme besteht darin, die Speicherung und Abgabe elektrischer Energie durch die gegenseitige Umwandlung verschiedener Elektrolytionen zu erreichen.

Im Vergleich zu neuen Batterien wie Lithium-Eisenphosphat-Batterien kommt es beim Elektrodenreaktionsprozess der Durchflussbatterie nicht zu Phasenwechseln, sie kann tief geladen und entladen werden und hält hohen Lade- und Entladeströmen stand. Im Vergleich zu anderen elektrochemischen Energiespeichertechnologien zeichnen sich Redox-Flow-Batterien durch drei herausragende Eigenschaften aus: Erstens ist die Selbstentladung sehr gering und die Leistung nimmt auch nach tage- oder wochenlanger Speicherung nicht ab, was eine langfristige Energiespeicherung ermöglicht. Zweitens ist die Zyklenlebensdauer besonders lang und erreicht mindestens 10.000 Zyklen, bei manchen technischen Routen können es sogar über 20.000 Zyklen sein. Die Gesamtlebensdauer kann 20 Jahre oder mehr betragen. Noch wichtiger ist, dass Vanadiumbatterien eine „Sofortladung“ erreichen können, da der Elektrolyt den gesamten Batteriesatz füllt, sodass das Umschalten zwischen Lade- und Entladezustand während des Betriebs nur 0,02 Sekunden dauert und die Reaktionsgeschwindigkeit nur 1 Millisekunde beträgt.

mein Land hat schon früh mit der Forschung an Vanadiumbatterien begonnen und ist nun in die Phase des groß angelegten kommerziellen Demonstrationsbetriebs und der Marktentwicklung eingetreten. In den späten 1980er Jahren entwickelten die Peking-Universität und die China University of Geosciences ein Labormodell einer reinen Vanadium-Flüssigkeitsflussbatterie. Im Jahr 1995 entwickelte die China Academy of Engineering Physics einen Prototyp eines 1-Kilowatt-Vanadium-Batteriestapels. Seitdem haben sich mehr Forschungseinrichtungen mit der Forschung, Entwicklung und kommerziellen Förderung von Vanadiumbatterien beschäftigt. Am 31. Oktober 2022 wurde in Dalian in der Provinz Liaoning das weltweit größte Energiespeicherkraftwerk mit ausschließlich Vanadium-Flüssigkeitsdurchflussbatterien fertiggestellt und an das Netz angeschlossen. Aus der „Reservearmee“ der langfristigen Energiespeicherung sind nach und nach Flüssigflussbatterien in den Vordergrund gerückt.

Derzeit dominieren Lithium-Ionen-Batterien und Pumpspeicher den Energiespeichermarkt deutlich. Da jedoch der Anteil sauberer Energien weiter zunimmt, erfordert ein ideales CO2-armes Energiesystem auch eine diversifizierte Lösung zur langfristigen Energiespeicherung. Daher erlangt die Langzeitenergiespeicherung, also Technologien mit Lade- und Entladezeiten von mehr als 6 Stunden, immer mehr Aufmerksamkeit.

Obwohl die Entwicklung von Vanadium-Vollflüssigkeits-Flow-Batterien mit großer Spannung erwartet wird, müssen noch immer zwei wesentliche Herausforderungen bewältigt werden: Zum einen die technischen Schwierigkeiten und zum anderen die geringe Energiedichte. Einige wichtige Komponenten von Flussbatterien, wie etwa Bipolarplatten und Ionenaustauschmembranen, die einen Ort für chemische Reaktionen bieten, sind derzeit noch von Importen abhängig, was die Produktion im Inland erschwert. Aufgrund der größeren Größe des Elektrolyttanks beträgt die Energiedichte des Flussbatteriesystems nur 1/10 der Energiespeicherung von Lithium-Ionen-Batterien. Zweitens sind die anfänglichen Investitionskosten für Flüssigkeitsflussbatterien hoch, normalerweise zwei- bis dreimal so hoch wie für Lithiumbatterien, von denen der Reaktionsstapel und der Elektrolyt mehr als 70 % ausmachen. Mit zunehmender Nutzungsdauer wird jedoch allmählich der Kostenvorteil über den gesamten Lebenszyklus deutlich.

Das von Zhao Tianshou, einem Mitglied der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, geleitete Team hat zahlreiche Versuche unternommen, technische Wege mit unabhängigen Rechten am geistigen Eigentum zu erkunden. Durch Innovationen in der Grundlagentheorie sowie bei Schlüsselmaterialien und Geräten haben sie die Leistung von Redox-Flow-Batterien erheblich verbessert, die Stromdichte auf mehr als das Dreifache des herkömmlichen Niveaus erhöht, die Elektrolytnutzungsrate auf 80 % gesteigert und ermöglicht 20.000 Zyklen ohne nennenswerte Abschwächung. Die Leistungsverbesserung neuer Flussbatterien dürfte die anfänglichen Investitionskosten für Flussbatterie-Energiespeicherkraftwerke um mehr als 25 % senken und so die Lebenszykluskosten von Flussbatterien auf ein kommerziell nutzbares Niveau reduzieren.

Dank technologischer Durchbrüche werden die Kosten für Batteriestapel und andere Produkte weiter sinken, der Elektrolyt kann fast vollständig recycelt werden und es besteht nach der Skalierung großer Spielraum für Kostensenkungen bei Vanadiumstrom. Vanadium-Stromspeicher werden im Bereich der sicherheitsorientierten Energiespeicherung mittlerer und großer Größenordnung großes Potenzial haben.

(Der Autor ist Ingenieur bei der Envision Technology Group)