Eine Redox-Flow-Batterie

Energiespeicherung

Herstellung einer Pouchzelle

Speichersysteme der nächsten
und übernächsten Generation

Wir arbeiten an der Entwicklung von verschiedenen Speichertechnologien, angefangen bei kleinen flexiblen Batteriesystemen über Superkondensatoren bis hin zu großen stationären Batterien. Die besondere Herausforderung hierbei: Hohe Leistungsdichten, maximale Flexibilität, geringste Verluste und hohe Lebensdauer der Systeme müssen mit bestmöglicher Umweltverträglichkeit, zuverlässiger Ressourcenverfügbarkeit und geringstmöglichem Gefahrenpotenzialen verbunden werden. Wir verzichten auf Rohstoffe, die hinsichtlich ihrer Beschaffung oder ihrer Umweltverträglichkeit kritisch sind – wie zum Beispiel aggressive Säuren, seltene Erden, Vanadium, Kobalt, Blei oder andere Schwermetalle. Diese Stoffe werden ersetzt durch umweltfreundliche und in Deutschland und Europa verfügbare Alternativen aus Keramiken, Kunststoffen (Polymeren), Glas oder Kohlenstoff.
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Unter Solarbatterien werden Hybridsysteme verstanden, die eine Solarzelle zur Energiegewinnung direkt mit einer Batterie zur Energiespeicherung vereinen. Bei derartigen Systemen kann der von der Solarzelle erzeugte Strom sowohl Verbraucher versorgen als auch direkt durch die integrierte Batterie gespeichert werden. Steht kein Sonnenlicht zur Verfügung, übernimmt die Batterie wiederum die Stromversorgung. Entsprechende Entwicklungen befinden sich weltweit noch im Stadium der Grundlagenforschung.

Am CEEC Jena forschen wir an der Entwicklung organischer Solarbatterien, also an der Kombination von organischen Solarzellen mit organischen Folienbatterien.

Solarbatterien Inhalt einblenden

Unter Solarbatterien werden Hybridsysteme verstanden, die eine Solarzelle zur Energiegewinnung direkt mit einer Batterie zur Energiespeicherung vereinen. Bei derartigen Systemen kann der von der Solarzelle erzeugte Strom sowohl Verbraucher versorgen als auch direkt durch die integrierte Batterie gespeichert werden. Steht kein Sonnenlicht zur Verfügung, übernimmt die Batterie wiederum die Stromversorgung. Entsprechende Entwicklungen befinden sich weltweit noch im Stadium der Grundlagenforschung.

Am CEEC Jena forschen wir an der Entwicklung organischer Solarbatterien, also an der Kombination von organischen Solarzellen mit organischen Folienbatterien.

Natrium-Ionen-Batterien Inhalt einblenden

Natrium-Ionen-Batterien gelten als zukunftsweisende Technologie im Bereich der stationären Batteriespeichertechnik. Der Grundgedanke besteht darin, die kritische Ressource Lithium durch Natrium zu ersetzen – ein Rohstoff also, der eintausend Mal häufiger auf der Erde vorkommt als Lithium. Neben der besseren Ressourcenverfügbarkeit gestaltet sich mit Natrium auch das Recycling der Batterien nach Ablauf der Gebrauchsdauer sehr viel einfacher. Die zentrale Herausforderung der Technologie liegt darin, thermische Prozesse und die Korrosion zu kontrollieren und dadurch die Zyklenstabilität und die Sicherheit der Systeme zu gewährleisten. Zudem wird international daran gearbeitet, Massentauglichkeit zu erlangen und die Nachteile von Größe, Gewicht und niedrigerer Betriebsspannung auszugleichen. Potenzielle Applikationen für die diversen Typen der Natrium-Ionen-Batterien sind stationäre Speicheranwendungen, zum Beispiel als Pufferspeicher für Windkraft- und Solaranlagen.

Am CEEC Jena werden sowohl Hochtemperatur- als auch Raumtemperatursysteme untersucht.

Polymerbasierte Redox-Flow-Batterien Inhalt einblenden

Redox-Flow-Batterien (RFB) sind elektrochemisch reversible Nasszellen, d. h. die Aktivmaterialien liegen gelöst in flüssigen Lösungsmitteln vor. Die beiden sogenannten Elektrolyte (Katholyt und Anolyt) werden in separaten Tanks gelagert und zum Laden und Entladen in eine elektrochemische Zelle gepumpt, in welcher die Redoxreaktionen stattfinden. Der große Vorteil von RFB ist, dass Speicherkapazität und Leistung vollständig unabhängig voneinander eingestellt werden können. Zentrale Herausforderungen liegen darin, RFB zu entwickeln, die ohne den Einsatz seltener und damit teurer Substanzen (z. B. Vanadiumverbindungen) sowie korrosiver Lösungsmittel (z. B. Schwefelsäure) auskommen. Gleichzeitig müssen kostengünstige, skalierbare und langzeitstabile Systeme entwickelt werden.

Am CEEC Jena werden Materialien und Konzepte erforscht, die RFB deutlich verbessern und als einfach handhabbare, sichere und zugleich ökonomische Energiespeicher nutzbar machen. So wird an polymeren Aktivmaterialen gearbeitet, wodurch die Verwendung von kostengünstigen Dialysemembranen an Stelle von teuren ionenselektiven Membranen ermöglicht wird. Auf diese Weise können außerdem Vanadiumverbindungen und Schwefelsäure durch Polymere bzw. wässrige Kochsalzlösung ersetzt werden.

Superkondensatoren Inhalt einblenden

Elektrochemische Doppelschichtkondensatoren, auch Superkondensatoren genannt, kommen vor allem bei Hochleistungsanwendungen wie zum Beispiel in Defibrillatoren zum Einsatz. In Superkondensatoren wird die Energie durch einen physikalischen Prozess gespeichert. Hierbei wird eine sogenannte Doppelschicht zwischen den Elektroden und den Ionen des Elektrolyten ausgebildet. Da es sich dabei um einen sehr schnellen Prozess von nur einigen Millisekunden handelt, können Superkondensatoren buchstäblich in Sekundenschnelle geladen und entladen werden und erreichen extrem hohe Leistungen (10 kW kg-1). Außerdem sind Superkondensatoren sehr effizient und zeichnen sich durch eine hohe Zyklenzahl aus – sie können mehr als 500.000 Mal auf- und wieder entladen werden – da es beim physikalischen Speichervorgang nicht zu strukturellen Veränderungen des Materials kommt. Die Energiedichte liegt im Bereich von 5 Wh kg-1.

Am CEEC Jena forschen wir sowohl an der Entwicklung neuer und innovativer Elektrolyte wie auch an nanostrukturierten und kohlenstoffhaltigen Elektrodenmaterialien für Superkondensatoren.

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