Hybride Fe Flussbatterie: Theorie und Experiment

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr.-Ing. Christina Roth; Professor Dr.-Ing. Fridolin Röder
• Fachliche Zuordnung: Technische Chemie ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 524550300

Zuverlässige elektrische Energiespeicher sind erforderlich, um mehr der stark fluktuierenden erneuerbaren Energiequellen in unser Stromversorgungsnetz zu integrieren. Um diesen Prozess der Energiewende auch nachhaltig zu gestalten, ist es wichtig, Energiespeicher zu verwenden, die auf ausreichend verfügbaren und ungiftigen Materialien basieren. Eisen (Fe) erfüllt diese Kriterien und kann in Redox-Flow-Batterien (IRFB) verwendet werden, die eine vielversprechende nachhaltige Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien und Vanadium-Redox-Flow-Batterien darstellen. Um diese Technologie zu ermöglichen, müssen jedoch noch viele kritische Herausforderungen auf verschiedenen Längenskalen bewältigt werden. Auf der Nanoskala sind intelligente Grenzflächendesigns erforderlich, um die parasitäre Wasserstoffentwicklungsreaktion zu verhindern. Auf der Mikroskala müssen poröse 3D-strukturierte Elektroden die reversible Abscheidung und Auflösung von Fe innerhalb der Poren ermöglichen. Auf der Makroebene müssen geeignete Rebalancing-Systeme die Wasserstoffentwicklung ausgleichen, während sorgfältig gewählte Betriebsbedingungen erforderlich sind, um Kapazitätsverluste aufgrund unerwünschter Abscheidung/Auflösung von Fe zu reduzieren. Leider können diese Herausforderungen nicht unabhängig voneinander angegangen werden, sondern müssen gleichzeitig betrachtet werden. Ziel dieses Projekts ist es, ein umfassendes mechanistisches Verständnis der IRFB durch einen gemeinsamen theoretischen und experimentellen Ansatz auf verschiedenen Größenskalen zu entwickeln. Nur durch die Verbindung von Experiment und Theorie in einem skalenübergreifenden Ansatz wird es möglich sein, dieses komplexe System zu bewerten, zu verstehen und ausgewogen zu verbessern. Auf der theoretischen Seite werden wir Kontinuumsmodelle und molekulare Modelle kombinieren. Mit Längenskalen der Abscheidungs- und Auflösungsprozesse auf der molekularen Skala bis hin zu Betriebsbedingungen auf der Systemskala werden wir die relevanten Prozesse durch die Anwendung und Weiterentwicklung von Multiskalen-Modellierungstechniken abdecken. Auf der experimentellen Seite werden wir die Oberflächeneigenschaften durch die Einführung von Defekten in planare Modelloberflächen verändern, die gewonnenen Erkenntnisse in poröse 3D-Elektroden integrieren und deren Eigenschaften unter realistischen Betriebsbedingungen auf Systemebene testen. Theorie und Experiment werden durch die Etablierung von Parametrierungs- und Validierungszyklen gekoppelt, um zu zuverlässigen und abgestimmten Empfehlungen für das Design von Grenzflächen, Elektroden und Systemen zu gelangen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen