Akku mit Tank
Die Vanadium-Redox-Durchflussbatterie
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Geschichte und Vergleich mit anderen Batterietypen
Schon im 19. Jahrhundert kannte man Batterien, bei denen der Elektrolyt durch Schwerkraft floss, um die Bildung von Gasblasen an den Elektroden zu verhindern. Ebenso kannte man bereits Redox-Brennstoffzellen – eine Brennstoffzelle, die ein Redox-Batterieelement enthielt. Moderne Redox-Durchflussbatterien wurden 1949 von Prof. Walter Kangro erfunden und patentiert [1]. Die Entwicklung brauchbarer Systeme indessen fand erst 1970 statt, als die NASA begann, diesen Energiespeicher zu erforschen.
Nach Untersuchung vieler verschiedener Systeme entwickelte die NASA funktionierende Eisen-Chrom-Redox-Durchflussbatterien. Diese waren ziemlich komplex und litten an einem stetigen und irreversiblen Verlust an Kapazität, da Eisen und Chrom durch die Membran diffundierten. 1986 wurde die von Prof. Maria Skyllas-Kazacos von der University of New South Wales, Australien, entwickelte Lösung für das Problem des Membran-Übergangs patentiert [2]. Sie setzte Vanadium in beiden Elektrolyten ein. Das Vanadium diffundierte zwar ebenso, aber der stetige Verlust an Kapazität war nun durch einfaches Aufladen vollständig reversibel.
Sumitomo Electric Industries Ltd. [3] adaptierte die Vanadium-Redox-Durchflussbatterie von Prof. Skyllas-Kazacos, um die erste Generation von Großbatterien herzustellen. Sumitomos Vanadium-Redox-Batterien wurden ausschließlich in Japan installiert. VRB Power Inc. [4] verwendete Sumitomo-Reaktoren für ihre großen Batterieinstallationen in Südafrika, Australien und in den USA.
Derzeit ist eine Handvoll Unternehmen weltweit in der Weiterentwicklung der Redox-Durchfluss-Systeme aktiv. Trotz der signifikanten Vorteile der Vanadium-Redox-Batterie-Technik bei bestimmten Anwendungen waren die universitären Forschungsaktivitäten überraschenderweise limitiert. Eine neue Generation kleiner, kommerzieller Vanadium-Redox-Durchflussbatterien wurde unabhängig von den Firmen Cellstrom GmbH [5] (Bild 2) und VRB Power Inc. entwickelt. Beide Firmen besitzen Patente, die für ihre jeweilige Technik von Bedeutung sind. Das ursprüngliche Skyllas-Kazacos-Patent ist inzwischen ausgelaufen.
Vergleich mit anderen Batterietypen
In konventionellen aufladbaren Akkus – z.B. Bleisäure-, Nickel-Metallhydrid-, Nickel-Cadmium- und Li-Ionen-Akku – verändern sich die Elektroden chemisch während geladen oder entladen wird. Dies verursacht an den festen Elektroden eine Volumenänderung. Schon nach wenigen Zyklen beginnt dadurch ein mechanischer Zerfall. Durch die Verwendung von gelöstem elektroaktiven Material, wie es in der Vanadium-Redox-Batterie zum Einsatz kommt, wird dieser Zerfall komplett vermieden.
Blei-Akkus versagen auch durch die Bildung dicker, isolierender Bleisulfatkristalle (Sulfatierung), wenn diese über längere Perioden im teilentladenen Zustand gehalten werden, wie es bei Photovoltaik-Anwendungen typischerweise häufig der Fall ist. Gerade im Winter reicht die Sonneneinstrahlung oft nicht mehr aus, um die Akkus vollständig aufzuladen und die Bleisulfatkristalle aufzulösen. Die Vanadium-Redox-Batterie ist auch von diesem Fehlermechanismus nicht betroffen, da sich keine Sulfatkristalle bilden. Darüber hinaus sind Vanadium-Redox-Batterien auch unempfindlich gegenüber Schichtbildung des Elektrolyten (Schwankungen der Säuredichte entlang der Zelle) oder Gitterkorrosion (Auflösung der Stromableiter), welche ebenfalls zur Verkürzung der Lebenszeit der Bleisäure-Akkus beitragen.
Bei allen aufladbaren Akkuzellen, die Wasser enthalten, entsteht beim Laden potentiell explosiver Wasserstoff. Die Menge, welche bei Vanadium-Redox-Batterien entsteht, ist extrem gering und kann direkt über den Tanks gesammelt und abgeleitet werden. Einige andere Akkumulatoren, speziell die Nasszellen auf Bleibasis, erzeugen so viel Wasserstoffgas, dass der Betrieb nur in Räumen mit entsprechender Ventilation und Antistatik-Boden zulässig ist [6, 7].
Im Vergleich mit Hochleistungs-Akkus, wie z.B. den Li-Ionen-Akkus, ist die Vanadium-Redox-Batterie ziemlich sicher. So verursachen ein Kurzschluss oder gar eine Verpolung der Zellen keinen Schaden. Und da alle Zellen vom gleichen Elektrolyten durchflossen werden, benötigt man keine individuelle Zellenüberwachung oder Steuerung. Alle Zellen haben die gleiche Kapazität, eine Ausgleichsladung ist nicht erforderlich.
Die Vanadium-Redox-Batterie ist allerding komplexer als andere Akkumulatoren und zwangsläufig auch teuerer als ein Satz Blei-Akkus mit vergleichbarer Energie. Nichtsdestotrotz wird sich die Vanadium-Redox-Batterie rechnen, da man von einer sehr langen Zyklenlebensdauer ausgehen kann. Bei Bleisäure-Energiespeichersystemen sind von Zeit zu Zeit ganze Akku-Sätze zu tauschen, wogegen bei der Vanadium-Redox-Batterie lediglich vergleichsweise kleine Einzelteile wie z.B. Pumpen erneuert werden müssen und somit eine lange Lebensdauer bei guter Wirtschaftlichkeit erzielt wird.
- Die Vanadium-Redox-Durchflussbatterie
- Geschichte und Vergleich mit anderen Batterietypen
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