Polymerelektrolytmembranen (PEM) für Vanadium-Redox-Flow-Batterien

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Sabine Beuermann; Dr. Uwe Gohs; Professor Dr.-Ing. Ulrich Kunz
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 411688235

Der Anteil an regenerativ erzeugter Energie wird in den nächsten Jahren innerhalb von Deutschland zunehmen. In diesem Zusammenhang stellt sich die Frage nach einer stofflichen Speicherung dieser nur fluktuierend anfallenden Energie. Eine Möglichkeit ist das Prinzip der gut skalierbaren Redox-Flow-Batterie (RFB), welche die Speicherung elektrischer Energie in einem flüssigen wiederaufladbaren Elektrolyten erlaubt. Das auf Vanadiumsalzen basierende System (VRFB) erscheint besonders interessant, da in der elektrochemischen Zelle auf beiden Seiten der Membran Vanadiumionen vorliegen. Somit ist der Übertritt der Ionen in den anderen Elektrodenraum, das sogenannte Cross-over, zwar mit einer Verringerung der Energiedichte, nicht aber mit einer das System irreversibel schädigenden Kontamination verbunden. In VRFB werden häufig Polymerelektrolytmembranen (PEM), insbesondere Nafion, eingesetzt. Nafion ist ein sulfoniertes Fluorpolymer, welches in verschiedenen elektrochemischen Verfahren technisch genutzt wird. Trotz technischer Nutzung weisen diese Membranen einige Nachteile auf, so dass die Entwicklung von neuen Membranen mit verbesserten Eigenschaften erforderlich ist. Im beantragten Projekt sollen neue PEM-Materialien auf Basis von kommerziell verfügbaren Fluorpolymerenfolien und –geweben, die als Gerüstmaterial dienen, erarbeitet werden. In diesem interdisziplinär ausgelegten Projekt erfolgt die Aktivierung der Gerüstmaterialien durch Bestrahlung gefolgt von einer Pfropfcopolymerisation, durch die sulfonierbare funktionelle Gruppen eingebracht werden können. Der Einfluss der Bestrahlungsbedingungen auf die Art und Konzentration der erhaltenen Radikale und auf die Polymerisation wird im Detail studiert. Nach der Sulfonierung werden die PEM elektrochemisch charakterisiert und anschließend Anwendungstests in VRFB unterzogen. Neben einer hohen Leitfähigkeit ist insbesondere die Vermeidung des Cross-over von großer Bedeutung. Die erzielten Ergebnisse sollen dazu genutzt werden, die Korrelation zwischen Prozess, Polymer, Struktur und Eigenschaften zu beschreiben. Darüber hinaus werden die experimentellen Arbeiten durch Modellierungen, z. B. zur Optimierung des Polymerisations¬prozesses oder zur Beschreibung des Stofftransports durch die Membran begleitet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen