So funktioniert eine Vanadium-Redox-Flow-Batterie
Die Firma FlexBase baut in Laufenburg AG eine grosse Vanadium-Redox-Flow-Batterie. Die Nachrichtenagentur Keystone-SDA hat sich am Paul Scherrer Institut (PSI) erklären lassen, wie die Technologie funktioniert.
«Eine Flow-Batterie ist ein offenes elektrochemisches System, welches eine Umwandlungseinheit fürs Laden und Entladen und einen externen Speicher beinhaltet – im Gegensatz zur abgeschlossenen Zelle einer Lithium-Ionen-Batterie», erklärte Lorenz Gubler, Gruppenleiter für Membranen und elektrochemische Zellen am PSI, im Gespräch.
Der Speicher besteht aus zwei Tanks, in denen Vanadium-Ionen unterschiedlicher Oxidationsstufen (+2 und +3 sowie +4 und +5) in wässriger Schwefelsäure gelöst sind. Aus diesen Tanks pumpt man die Flüssigkeiten in die Umwandlungseinheit, die aus in Serie geschalteten elektrochemischen Zellen (Stapel oder Stack) bestehen. Dort kommt es dann an Elektroden zu Elektronenaufnahme (Reduktion) oder -abgabe (Oxidation) beim Vanadium – darum Redox.
Die Wasserstoff-Ionen aus der Schwefelsäure-Lösung dienen dem Ladungsausgleich zwischen der negativen und der positiven Halbzelle. Eine Membran zwischen den Halbzellen lässt sie passieren, verhindert aber idealerweise eine Vermischung der Vanadium-Ionen der Oxidationsstufen +2 und +3 der einen mit jenen der Oxidationsstufen +4 und +5 der anderen Seite.
Laden und Entladen
Vereinfacht erklärt wird beim Laden Vanadium der Oxidationsstufe +3 in die negative Halbzelle geleitet, wo es an der Elektrode ein negativ geladenes Elektron aufnimmt und die Oxidationsstufe entsprechend auf +2 abnimmt. Um die Ladung auszugleichen, wandern gleichzeitig positive Wasserstoff-Ionen, die aus der Schwefelsäure stammen, durch die Membran aus der positiven in die negative Halbzelle.
Der chemische Prozess in der positiven Halbzelle ist aufgrund der Reaktion zwischen den Vanadium- und Wasserstoff-Ionen etwas komplexer, wie Gubler festhielt. Entscheidend ist aber, dass hier beim Laden Vanadium der Oxidationsstufe +4 in die positive Halbzelle gepumpt wird, ein Elektron an der Elektrode abgibt und seine Oxidationsstufe auf +5 steigt. Zum Entladen der Batterie dreht man den Prozess in der gesamten Umwandlungseinheit um.
Der Stromkreis schliesst sich in der Flüssigkeit idealerweise über den Austausch der positiven Wasserstoff-Ionen durch die Membran, wie Gubler zeigte, und auf der Elektroden-Seite über die ab- oder zugeführten Elektronen. Verbindet man die Elektroden ausserhalb der Zelle mit einer Stromquelle oder einem Verbraucher, kann man die Batterie entsprechend laden oder entladen.
