Akku mit Tank Die Vanadium-Redox-Durchflussbatterie

Jeder Lade/Entlade-Zyklus stresst übliche Akkumulatoren, da der Ladungsaustausch das Volumen der Elektroden verändert. Sie sind im Normalfall nicht für einen Betrieb mit vielen Zyklen und tiefer Entladung geeignet. Redox-Batterien hingegen arbeiten mit zwei flüssigen Elektrolyten und können Volumenänderungen ohne Stress verkraften. Sie eignen sich für viele Zyklen, schnelle Zyklenfolgen und tiefe Entladung.

Eine Vanadium-Redox-Durchflussbatterie hatte bisher mit dem Aussehen herkömmlicher Batterien und Akkumulatoren wenig gemeinsam. Vielmehr ähnelt sie einem kleinen Chemiewerk. Hier findet man Tanks, die mit grünblauer Flüssigkeit gefüllt sind – die Farbe ändert sich während des Ladens –, Pumpen, Ventile, Sensoren und Reaktoren. Und die Batterie ist groß: Die meisten kommerziellen Systeme im Leistungsbereich von 0,1 – 4 MW haben eine Masse von einigen 100 t. Seit kurzem gibt es aber eine neue Generation von Redox-Batterien im Bereich von 1 bis 10 kW, klein genug, um in Standard-ISO-Containern Platz zu finden.

Was ist nun eine Vanadium-Redox-Durchflussbatterie? Wie alle wiederaufladbaren Akkumulatoren wandelt sie beim Laden die Elektrizität in chemische Energie um und stellt durch Umkehr der chemischen Reaktionen Elektrizität beim Entladen bereit. Der wesentliche Unterschied zu herkömmlichen Akkumulatoren besteht darin, dass hier die chemischen Reaktionen ausschließlich in Lösungen ablaufen. In der Vanadium-Redox-Batterie kommen zwei Lösungen, auch Elektrolyte genannt, zum Einsatz: eine für die positiven Reaktionen und eine für die negativen. Chemisch gesehen sind beide Lösungen sehr ähnlich: Vanadiumsalze, die in Schwefelsäure gelöst sind – die gleiche Säure, die auch in konventionellen Bleisäure-Akkus verwendet wird.

Der größte Teil der Elektrolyten wird in externen Tanks gespeichert. Während des Lade- und Entlade-Vorgangs werden diese durch die Reaktoren gepumpt und fließen danach wieder in dieselben Tanks zurück. In den Reaktoren (Bild 1) laufen die kritischen chemischen Reaktionen für das Laden und Entladen ab. Jeder Reaktor besteht aus einem Kunststoffblock, der viele Einzelzellen enthält, welche elektrisch in Serie geschaltet sind. Die Zellen wiederum haben zwei Kammern, gefüllt mit porösen Grafitelektroden, die jedoch durch eine sehr dünne, ca. 100 μm starke Membran getrennt sind. Diese Membran verhindert die Berührung und damit den internen Kurzschluss der Grafitelektroden. Untereinander sind die Zellen mit leitenden Bipolarplatten verbunden, wobei die Endplatten die Verbindung zu den externen elektrischen Anschlüssen herstellen.

Während der positive und negative Elektrolyt durch den Reaktor fließen übernehmen interne Verteilerkanäle die Aufteilung des Flusses auf die individuellen Zellen. Innerhalb der Zellen fließen sie durch die Grafitelektroden, bleiben aber durch die Membrane getrennt. So wird eine Vermischung der Elektrolyten verhindert. Damit aber elektrischer Strom fließen kann, ermöglicht die Membrane ausgewählten Ionen den Übertritt von einem Elektrolyt zum anderen.

Durch diesen Austausch von Elektronen zwischen Elektroden und den Elektrolyten werden die Salze des Vanadiums chemisch reduziert oder oxidiert – daher der Name „Redox“. Der Grad der Oxidation des Vanadiums in der Lösung wird numerisch angegeben. Zum Beispiel hat das metallische Vanadium die Oxidationsstufe 0. Das Vanadium im positiven Elektrolyten hat die Oxidationsstufen 4 – 5, während im negativen die Stufen 2 – 3 vorliegen. Dadurch kommt es an jeder Zelle zu einer Anhebung der Potentialdifferenz auf ca. 1,4 V. Diese Potentialdifferenz verändert sich stetig von 1,25 V auf 1,55 V während die Zelle geladen wird. Diesen Effekt nützt man zur exakten Messung des Ladezustands mit Hilfe einer einfachen Messzelle.

Die Größe der Elektroden und der Membrane bestimmt die Leistung der Batterie. Durch Erhöhung der Zellenanzahl oder Vergrößerung der Zellen kann die Gesamtleistung angehoben werden. Hingegen wird der Energieinhalt durch die Menge des gelösten Vanadiums bestimmt. So wird durch Hinzufügen von Elektrolytflüssigkeit in den Tanks die Energiemenge erhöht. Leistung und Energie der Batterie können unabhängig von einander dimensioniert und für jede Anwendung optimiert werden.