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Vanadium-Redox-Flow-Batterie

Abkürzung: VRFB
Synonym: All-Vanadium-Redox-Flow-Batterie, Vanadium-Vanadium-Redox-Flow-Batterie

Die in den 1980er Jahren entwickelte Vanadium-Redox-Flow-Batterie gilt als das am besten untersuchte Redox-Flow-Batterien-System. Der Begriff Vanadium-Redox-Flow-Batterie wird meist für den hier beschriebenen Batterietyp verwendet. Allerdings gibt es auch noch weitere Redox-Flow-Batterien, in denen Vanadium zum Einsatz kommt, wie Vanadium-Eisen-, Vanadium-Brompolyhalogenid- und Vanadium-Sauerstoff-RFB (vgl. Redox-Flow-Batterien).

Aufbau

Um möglichst hohe Energiedichten erreichen zu können, ist es wichtig die Vanadiumsalze in den Elektrolytlösungen möglichst hoch zu konzentrieren. Dabei muss aber berücksichtigt werden, dass die Vanadiumionen nicht ausfallen (also gelöst bleiben) und stabil bleiben. Anolyt und Katholyt bestehen meist aus 1,5 bis 2 molaren Vanadium-Lösungen in 2-molarer Schwefelsäure. Dies entspricht einer theoretischen maximalen Energiedichte von 19 bis 38 Wattstunden pro Liter.

Als Elektrodenmaterial kommen hauptsächlich Kohlenstoffelektroden zum Einsatz. Die typischen Leistungsdichten liegen bei rund 80 mW/cm2.1

Die derzeit oft in Redox-Flow-Batterien eingesetzten leistungsfähigen Polymerelektrolytmembranen sind ein hoher Kostenfaktor, weshalb gerade für VRFB nach kostengünstigen Alternativen gesucht wird – etwa nach Ionenaustauschmembranen oder mikroporösen Separatoren.

Elektrochemische Reaktionen

In Vanadium-basierten Redox-Flow-Batterien wird die Stabilität von Vanadiumionen in unterschiedlichen Oxidationsstufen ausgenutzt. An der positiven Elektrode kann vierwertiges Vanadylsulfat oxidiert werden, während an der negativen Elektrode Vanadium(III)-sulfat reduziert wird. Die Zellspannung liegt bei etwa 1,4 Volt.1

Eigenschaften<

Ein entscheidender Vorteil des Vanadium-Vanadium-Systems ist, dass in beiden Halbzellen Ionen des gleichen chemischen Elements eingesetzt werden, die sich lediglich in ihren Oxidationsstufen unterscheiden. Denn praktikable ionenselektive Membranen, welche eine Durchmischung der beiden Elektrolytlösungen verhindern soll, sind nie 100-prozentig undurchlässig für sämtliche andere Substanzen außer den Ionen, die sie durchlassen sollen. Langfristig durchmischen sich Anolyt und Katholyt und das umso mehr, je höher der Konzentrationsunterschied auf beiden Seiten ist (osmotischer Druck). Dieser Effekt ist bei All-Vanadium-Systemen aber geringer als bei Systemen, in denen verschiedene chemische Elemente eingesetzt werden. Deshalb können die Vanadium-Ionen in den Elektrolytlösungen höher konzentriert werden, was zu höheren Energiedichten und Wirkungsgraden dieses Batterietyps gegenüber anderen Redox-Flow-Batterien führt.

Aber selbst eine langsame Durchmischung von Anolyt und Katholyt stellt in VRFB kein Problem dar, denn die elektrochemischen Reaktionen der Ionen an den Elektroden sind reversibel. Das bedeutet, dass Anolyt und Katholyt unter den Bedingungen in der VRFB ineinander umgewandelt werden können. Dies erleichtert nicht nur die Herstellung und Handhabung der Batterie. Es verhindert auch, dass es durch diese sogenannten Kreuzkontaminationen zu irreversiblen Kapazitätsverlusten der Batterie kommt.

Die Investitionskosten liegen derzeit bei 600 bis 700 Euro pro Kilowattstunde. Durch eine Hochskalierung der Produktion wird erwartet, dass diese bis 2030 auf etwa 400 Euro pro kWh gesenkt werden können.1

Vor- und Nachteile1

Vorteile

  • hohe Lebensdauer (potenziell 15 bis 20 Jahre, allerdings keine Erfahrungswerte (vgl. Nachteile))
  • niedrige Stromgestehungskosten beim Einsatz als stationäre Speicher
  • unabhängige Skalierbarkeit von Energie und Systemleistung
  • gute Recyclingfähigkeit: einfache Rückgewinnung der Aktivsubstanzen, was deutliche Kostensenkungen ermöglicht
  • gute Sicherheit
  • Einsatz des gleichen chemischen Elements in beiden Halbzellen ermöglicht höhere Energiedichten und Wirkungsgrade und erleichtert Herstellung und Handhabung im Gegensatz zu vielen anderen Redox-Flow-Batterien

Nachteile

  • nur kurze Erfahrungen zur Alterung und damit unklare Einschätzung der langfristigen Leistungsfähigkeit
  • wegen niedriger Energiedichten (insbesondere gegenüber Lithium-Ionen-Batterien) für Anwendungen mit Gewichts- und Raumlimitierung nicht geeignet
  • Preisschwankungen des eingesetzten Rohstoffes Vanadium

Anwendungen

VRFB sind bereits auf dem Markt verfügbar. Wegen der Skalierbarkeit dieses Systems werden auf alle Ebenen der stationären Speicherung Einsatzmöglichkeiten gesehen. Anwendungen existieren bereits im Bereich der Spitzenlastverschiebung im Stundenbereich auf regionaler Ebene und als Hausspeicher. Die Bedeutung der VRFB für Deutschland und Europa wird hoch eingeschätzt, weil die Industrie großes Interesse an einer Kommerzialisierung dieser Technologie hat.1

Literatur

  1. Thielmann, A.; Neef, C.; Hettesheimer, T.; Döscher, H.; Wietschel, M.; Tübke, J., Energiespeicher-Roadmap (Update 2017): Hochenergie-Batterien 2030+ und Perspektiven zukünftiger Batterietechnologien, Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI: Karlsruhe, (2017), S. 100f.; Online (jüngster Zugriff: 08.06.2018)
  • Noack, J.; Roznyatovskaya, N.; Herr, T.; Fischer, P., Angew. Chem., (2015) 127(34), S.9912-9947; Online (jüngster Zugriff: 08.06.2018)