Gestickte Elektroden in elektrochemischen Zellen

Wind und Solarenergie werden immer nur dann verfügbar, wenn der Wind weht oder die Sonne scheint. Um diese Energiequellen effektiv nutzen zu können sind leistungsfähige Speichersysteme notwendig. Durchfluss-Elektrolysezellen, sogenannte Redox-Flow Zellen sind vielversprechende Konzepte, welche in der Lage sind Energie durch elektrochemische Prozesse in flüssige Speichermedien in Aufbewahrungstanks zu übertragen. In der Durchfluss-Zelle finden beim Einspeichern sogenannte Redox-Vorgänge statt, durch die eine entladene Speicherform in die energiereiche geladene Form überführt wird. Bei der Entladung läuft der Vorgang in umgekehrter Richtung ab und liefert Energie. Ein wichtiges Funktionselement in Durchfluss-Elektrolysezellen sind die porösen 3D-Elektroden, durch die das flüssige Speichermedium gepumpt wird. Struktur und Ausführung dieser 3D-Elektroden sind heute durch die verfügbaren Materialien begrenzt, meist werden Carbon-Elektroden verwendet. Dementsprechend sind systematische experimentelle Untersuchungen zum elektrochemischen Verhalten von 3D-Elektroden bisher nur in begrenztem Umfang möglich. Durch eine neu entwickelte Technologie, basierend auf technischer Stickerei, werden 3D- Durchflusselektroden für Flow-Cells in nahezu beliebiger Konstruktion verfügbar, was einen Basis für systematische experimentelle und theoretische Arbeiten an 3D-Elektroden schafft. Elektroden können nun mit sehr einfachen Geometrie (ein Draht) biszu mehrschichtigen Strukturen (Mehrelektrodenkonzepte und Tubulenzpromotoren) entsprechend den experimentellen und theoretischen Vorgaben erzeugt werden. Damit können wichtige wissenschaftliche Fragestellungen zu 3D-Elektroden erstmals über einen weiten Bereich in systematischer Methodik bearbeitet werden: Ein neuer Zugang zur experimentellen Untersuchung von elektrochemischen Vorgängen in 3D-Elektroden wird möglich Die flexible Herstellung von Elektroden mit definierter Geometrie ermöglicht eine hohe Systematik in der Variation der experimentellen Parameter. Sensoren können direkt in die Elektrodenstruktur integriert werden, wodurch ein vertieftes Verständnis elektrochemischer Vorgänge in einer 3D-Elektrode erarbeitet werden kann. Verbesserte theoretische Modelle zum Verständnis können damit aus den experimentellen Ergebnissen entwickelt werden. Das Projekt wird einen wichtigen wissenschaftlichen Beitrag zum Verständnis von 3D-Elektroden in Redox-Flow Zellen liefern, was für eine Energiespeicherung aus regenerativen Quellen und die Entwicklung flexibler Stromnetze von höchster Bedeutung ist.

Wind- und Solarenergie sind nur verfügbar wenn der Wind weht oder die Sonne scheint. Um diese Energiequellen effektiv nutzen zu können sind leistungsfähige Speichersysteme notwendig. Redox-Flow Batterien (RFBs) sind vielversprechende Konzepte, welche in der Lage sind Energie durch elektrochemische Prozesse in flüssige Speichermedien zu übertragen oder zu entnehmen. In der RFB finden beim Einspeichern sogenannte Redox-Reaktionen statt, eine Kombination aus Reduktion und Oxidation, wodurch Energie in den flüssigen Elektrolyten eingebracht wird. Bei der Entladung läuft der Vorgang dann in umgekehrter Richtung ab und liefert Energie. Die Elektrolyten können in Aufbewahrungstanks beliebiger Größe gespeichert werden. Ein wichtiges Element, das die Leistung der RFB bestimmt, sind poröse 3D-Elektroden, durch die das flüssige Speichermedium gepumpt wird. Die Struktur und die Ausführung dieser Elektroden sind durch die verfügbaren Materialien, meist werden carbon-basierende Faservliese verwendet, teilweise vorgegeben. Dementsprechend sind systematische experimentelle Untersuchungen zum elektrochemischen Verhalten von Elektroden bisher nur in begrenztem Umfang möglich. Basierend auf technischer Stickerei, sind 3D-Durchflusselektroden für RFB in nahezu beliebiger Konstruktion möglich. Dieser neue Ansatz ermöglicht die systematisch experimentelle und theoretische Erforschung von porösen Elektroden. Elektroden können von sehr einfachen Geometrien (z.B. einem Draht) bis hin zu mehrschichtigen Strukturen (Carbonfaser-Strukturen), entsprechend der Vorgaben, erzeugt werden. Damit konnten erstmals wichtige wissenschaftliche Fragestellungen zu Elektroden theoretisch und experimentell über einen weiten Bereich systematisch untersucht werden. Dadurch war es möglich den Einfluss von Elektrodenstrukturparametern, wie beispielsweise der Faseranzahl, der Faserorientierung und -verteilung in Bezug auf den Elektrolytfluss, auf die Leistungsfähigkeit von RFBs zu bestimmen. Die Ergebnisse lieferten Überlegungen zum Elektroden- und Zellendesign, um Spannungsverluste in RFBs zu reduzieren, sowie die Identifizierung der Hauptmechanismen, welche für die Elektronentransfer- und Reaktandentransport-Spannungsverluste verantwortlich sind. Das Projekt leistete einen wesentlichen Beitrag zu Fortschritten in der Erforschung poröser Medien, insbesondere bei porösen Elektroden für Redox-Flow-Batterien, die für die Entwicklung von Dekarbonisierungstechnologien von hoher Relevanz sind.