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Elektrischer Speicher
BMWi
Redox-Flow-Batterie 8.10.2015

Die Abbildung zeigt den Prüfstand für Vanadium-Redox-Flow-Batterien.
© Eisenhuth GmbH

Effizienz mit neuen Materialien steigern

Wissenschaftler untersuchen neue Bipolarplatten und Dichtungswerkstoffe für Komponenten der Redox-Flow-Zelle. Durch Integration verschiedener Funktionen in ein einziges zu montierendes Bauteil sollen Montagekosten gespart und die Zuverlässigkeit der hergestellten Batterien verbessert werden.

Projektstatus Projekt beendet
Typische Anlagengröße - Energie 0,1 MWh
Typische Anlagengröße - Leistung 0,01 MW
Energiedichte volumetrisch 25-30 Wh/l
Wirkungsgrad AC/AC 75 %
Zyklenfestigkeit (80% Entladetiefe) 10.000
Brauchbarkeitsdauer der Anlage (1 Zyklus/Tag) 10 Jahre
Typische Entladezeit einige Stunden
Ansprechzeit bei Bereitstellung der Energie Millisekunden bis Sekunden
Typische Zeit zwischen Ein- und Auslagerung einige Stunden bis einige Tage
Anwendungsfelder Beispiele ortsfeste Energiespeicher, z. B. für einzelne Häuser bis zu Wohnblöcken zur Zwischenspeicherung von Strom aus Solarzellen oder Windkraftanlagen
Projektlaufzeit Juli 2012 bis Juni 2015

Redox-Flow-Batterien besitzen ein besonders interessantes Energiespeicherkonzept, da sie eine hohe Zyklenanzahl erreichen. Grund hierfür ist die Speicherung elektrischer Energie in geladenen gelösten Ionen und nicht in Feststoffen, wie dies bei anderen Batteriesystemen üblich ist. Degradationserscheinungen an den Elektroden – wie Dendriten-Bildung oder Memory-Effekte durch Änderung der Morphologie der Elektrodenmaterialien – kommen in diesem Batteriesystem nicht vor.

  • Das Bild zeigt den konzeptionellen Aufbau einer Vanadium-Redox-Flow-Batterie. © Eisenhuth GmbH / O. Spelters
  • Rahmenintegrierte Bipolarplatte mit aufgebrachten Dichtungen © Eisenhuth GmbH
  • Muster einer Labor-Redox-Flow-Batterie © Eisenhuth GmbH
  • Die Abbildung zeigt den Prüfstand für Vanadium-Redox-Flow-Batterien. © Eisenhuth GmbH

Erste Redox-Flow-Batterien sind bereits kommerziell verfügbar, allerdings ist die Herstellung durch viel Handarbeit noch sehr zeitintensiv. Es fehlt an Bauteilen, die mehrere Funktionen vereinen. Hierzu zählen Dichtungen, Rahmen zur Fixierung der Bipolarplatte sowie Fluid-Verteilerstrukturen. Diese sollen in ein einziges Bauteil integriert werden, um dadurch zu kostengünstigeren und weniger fehleranfälligen Komponenten für Redox-Flow-Batterien zu kommen.

Im Fokus: Bipolarplatten und Dichtungswerkstoffe

Im Rahmen des Forschungsprojektes sollen neuartige Bipolarplatten und Dichtungswerkstoffe für Komponenten der Redox-Flow-Zelle untersucht werden. Bei den Werkstoffen greifen die Wissenschaftler im Wesentlichen auf Thermoplaste für die Platten und Elastomere als Dichtungswerkstoff für integrierte Dichtungen zurück. Dabei sollen Potenziale herausgearbeitet werden, die eine verbesserte Leitfähigkeit der Platten und einfache Dichtungslösung im Bereich Redox-Flow-Batterie erlauben. Hierzu zählen die Realisierung von sogenannten FIP(Form In Place)-gaskets auf beziehungsweise an den Bipolarplatten und deren formschlüssige oder gar stoffschlüssige Verbindung. Gleichermaßen wird der aus Isolierstoff zu fertigende Rahmen mit der Bipolarplatte zu einem Bauteil verbunden. Das vereinfacht die Montage zu vollständigen Zellen erheblich.

Dieses Projekt ist fertigungsorientiert, erste Redox-Flow-Batterien sind bereits im Handel verfügbar.  Allerdings werden diese mit zeitaufwendigen, manufakturähnlichen Verfahren aus einer Vielzahl von Einzelbauteilen montiert. Um Kosten zu sparen und die Zuverlässigkeit zu steigern, sollen in diesem Projekt maßgeschneiderte Materialien/Materialverbünde entwickelt werden, die eine zeitsparendere Montage bei erhöhter Bauteilzuverlässigkeit erreichen. Dadurch sollen weniger Fehlfunktionen durch Bauteilausfall und damit effizienteren Redox-Flow-Batterien ermöglicht werden.

Wettbewerbstaugliche, verbesserte Komponenten

Ausgangspunkt ist die Bipolarplatte als zentrales Bauteil einer Redox-Flow-Zelle. Diese soll mit einem isolierenden Polymerrahmen durch Methoden der Kunststofftechnik verbunden werden. Weiter sollen notwendige Dichtungen ebenfalls auf das neue, integrierte Bauteil aufgetragen werden. Um diese Ziel zu erreichen, müssen geeignete Werkstoffe sowie die zu deren Verarbeitung erforderlichen Methoden aufeinander abgestimmt und in Testzellen untersucht werden. Hierzu entwickelt und verwendet der Industriepartner Eisenhuth Formen für den Kunststoffbau und für die Fertigung von Mustern. Der Forschungspartner Energie-Forschungszentrum Niedersachsen wird daraus Redox-Flow-Batterien bauen und elektrochemisch bewerten. Durch die Integration mehrerer Funktionen in die gerahmte Bipolarplatte und die Entwicklung der dazu notwendigen Fertigungstechnologie kann Eisenhuth wettbewerbstaugliche und verbesserte Komponenten für die Hersteller von Redox-Flow-Batterien liefern.

Durch Integration mehrerer Funktionen in ein einziges zu montierende Bauteil werden Montagekosten gespart und die Zuverlässigkeit der hergestellten Batterien verbessert.

Alles in einem Bauteil

Materialrecherche und Bewertung von Materialproben hinsichtlich Leitfähigkeit und Verarbeitungsfähigkeit zu Bipolarplatten sind abgeschlossen. Materialien für Dichtungen werden zur Zeit auf Stabilität im Elektrolyten untersucht. Materialien für den an die Bipolarplatte anzubringenden Rahmen sind identifiziert. Erste Muster einer Bipolarplatte mit angespritzen Rahmen sind in Arbeit. Werkzeugdesign für Spritzgussform für erste Musterplatten ist abgeschlossen. Ein Jahr später wurde die Bestimmung eines beständigen und geeigneten Materialverbundes Dichtung/Bipolarplatte abgeschlossen. Nun soll die Demonstration der prinzipiellen Eignung der Materialien für effizientere Redox-Flow-Batterien erreicht werden. Ziel des Projektes ist eine verbesserte Redox-Flow-Batterie dadurch zu erhalten, dass die Bipolarplatte in den Rahmen durch Methoden der Kunststofftechnik integriert wird und man ein einziges Bauteil erhält, das mehrere Funktionen in sich vereinigt. Dadurch lässt sich die Montage zu Batterien schneller und kostengünstiger erreichen.

Teilprojekte

In diesem Projekt arbeitet die Firma Eisenhuth mit dem Energie-Forschungszentrum Niedersachsen gemeinsam an verbesserten Bauteilen für Redox-Flow-Batterien. Dabei werden vom Industriepartner Materialien und Muster von Bauteilen hergestellt, diese werden materialtechnisch und elektrochemisch beim Forschungspartner bewertet. Hierzu zählen auch Arbeiten zur Verbesserung der Elektronenleitfähigkeit der Bipolarplatten, zur Qualitätssicherung der Gleichmäßigkeit der Elektronenleitfähigkeit bei größeren Bipolarplatten-Formaten sowie zu Eignung und Beständigkeit von Dichtungswerkstoffen und daraus gefertigter Dichtungen. Die im Projekt hergestellten Redox-Flow-Batterien haben laborübliche Formate und Leistungen im Bereich weniger Watt. Sie dienen zur Materialbewertung und zur Optimierung von Materialverbünden und den zu ihrer Herstellung notwendigen Fertigungsverfahren. Die Herstellung praxistauglicher Redox-Flow-Batterien ist nicht Gegenstand dieses Projektes. Dies ist Aufgabe assoziierter Projektpartner (wie die Firma Cellstrom/Gildemeister), die Hersteller von Redox-Flow-Batterien sind.

Gefördert durch die Bundesregierung aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages

Termine

24. Januar 2018
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13. März 2018
Energy Storage Europe 2018

13. März 2018
Energiespeicher & Wärmepumpentechnologie

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Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.