Unitized bidirectional vanadium-air redox flow battery

Die Vanadium-Redox-Fluss-Batterie (VRFB) ist aufgrund der hohen Zyklenlebensdauer, der Energieeffizienz und der schnellen Ansprechzeiten ein vielversprechendes System zur Kompensation der Fluktuation bei der Stromerzeugung durch erneuerbare Energien. Die geringe Energiedichte von VRFB ist jedoch ein Hemmnis für die Anwendung als dezentrales Speichersystem. Die Vanadium-Luft-Redox-Fluss-Batterie (VARFB) hingegen, bei der nur ein Elektrolyttank benötigt wird, verspricht eine nahezu verdoppelte Energiedichte. In dieser Dissertation wurde eine neuartige kombinierte bidirektionale VARFB konstruiert, untersucht und optimiert. Um sowohl den Anforderungen an die Sauerstoffentwicklung beim Laden als auch an die Sauerstoffreduktion beim Entladen in der positiven Halbzelle gerecht zu werden, wurde eine aus zwei Lagen bestehende positive Elektrode entwickelt und eingesetzt. Als Ursache für verringerte Effizienzen im Betrieb der VARFB wurden Nebenreaktionen vermutet. Daher wurden Transferprozesse durch die Membran mithilfe von UV/Vis-Spektroskopie sowie Massenspektrometrie (ICP-MS) der Elektrolytlösungen intensiv untersucht. Ein Großteil der Ladungseffizienz-Verluste wurde durch Sauerstoff-Permeation verursacht. Der ebenfalls stattfindende Durchgang von Vanadium-Ionen durch die Membran verringerte hingegen die Lebensdauer der VARFB, da die Kapazität der Batterie von der Menge an Vanadium-Ionen im negativen Elektrolyten abhängt. Aus diesem Grund wurde ein Verfahren zur Beschichtung der Membran mit Polyethylenimin und Nafion-Ionomer entwickelt, wodurch sich eine deutliche Reduktion des Vanadium-Ionen-Durchgangs durch die Membran erreichen ließ. Als Folge zeigte sich eine Verbesserung der Energieeffizienz und Ladungseffizienz der VARFB sowie eine verbesserte Lebensdauer-Prognose.