Die Entwicklung von großen Stromspeichern kommt langsam in Schwung. So haben Forscher des Stanford Linear Acceleration Laboratory (SLAC), einem Forschungslabor des US-Energieministeriums (DOE) im kalifornischen Menlo Park eine preiswerte und langlebige Batterie zur Speicherung von Solar- und Windenergie entwickelt. Sie hat das Potenzial große Mengen Strom zu speichern und damit die Integration hoher Solarstrom- und Windenergieleistung in das Stromnetz zu verbessern. „Damit Solar- und Windenergie im großen Stil genutzt werden können, brauchen wir eine Batterie aus ökonomischen Materialien, die leicht zu skalieren und trotzdem effizient ist“, sagte Yi Cui, Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurswesen an der Universität Stanford und Leiter des Forschungsprojekts. „Wir glauben, dass unsere neue Batterie die bislang beste Lösung ist, um die natürlichen Schwankungen dieser erneuerbaren Energiequellen zu regeln.“
Herkömmliches Prinzip vereinfacht
Das Konzept der Forscher des SLAC basiert auf dem herkömmlichen Prinzip der Redox-Flow-Batterie. Auch in ihr basiert die Ladung und Entladung auf der Reduktion bzw. Oxidation von elektroaktiven Molekülen, die in einem Elektrolyt gelöst durch die Leitungen und Kammern der Batterie fließen. Allerdings ist die von den Kaliforniern entwicklte Batterie einfacher aufgebaut als ihre Vorgänger. Denn sie kommt mit nur einem Kreislauf aus. In den bisherigen Batterien braucht man zwei verschiedene Flüssigkeiten – eine Anoden- und eine Kathodenflüssigkeit –, die in getrennten Kreisläufen durch die Batterie gepumpt werden. Die eigentliche Reaktion findet in einer elektrochemischen Zelle statt. Diese Zelle ist von einer Membran in zwei Teile getrennt. Die Membran lässt nur die nicht an der Reaktion beteiligten Moleküle durch, während sie die aktiven Moleküle physisch getrennt hält.
Preiswerte Materialien eingesetzt
Der Vorteil der Redox-Flow-Batterie ist, dass sie sowohl hinsichtlich der Kapazität als auch hinsichtlich der Leistung gut an die Anforderungen angepasst werden kann. Allerdings hat sie erhebliche Nachteile: Die Flüssigkeiten sind sehr teuer, weil sie aus seltenen Elementen wie Vanadium bestehen. Außerdem ist die Membran sehr anfällig und verlangt nach einer regelmäßigen Wartung. Durch die Reduktion des Prinzips auf eine Flüssigkeit, entfällt dieser Wartungsaufwand, da es keine Membran mehr gibt. Auch nutzen die amerikanischen Wissenschaftler preiswertere Materialien wie Lithium und Schwefel. Ein in einem organischen Elektrolyt aufgelöstes Lithium-Polysulfid dient als Kathode. Eine beschichtete Lithiumplatte ist die Anode. Die Beschichtung dient dabei als Barriere, dass keine Elektronen ohne Entladung das Metall passieren können. Beim Laden reagiert das Lithium mit den gelösten Lithium-Polysulfid-Mölekülen. Die geben Lithium-Ionen ab. Wir ein elektrischer Verbraucher angeschlossen und die Batterie entladen, nehmen die Lithium-Polysulfid-Moleküle wieder Lithium-Ionen auf. „Die ersten Labortest zeigen, dass die Batterie eine exzellente Performanz beim Speichern der Energie aufweist“, berichtet Cui. Allerdings ist sie im Vergleich der bisher angebotenen Redox-Flow-Batterien weniger langlebig. „Sie hält mehr als 2.000 Lade- und Entladevorgänge aus, was eine Lebensdauer von mehr als 5,5 Jahren bei täglicher Nutzung bedeutet“, sagt Cui. Die herkömmlichen Modelle ertragen bis zu 10.000 Ladezyklen und verrichten bis zu 20 Jahre ihren Dienst.
Prototyp geplant
Durch diesen einfacheren Aufbau und die Verwendung preiswerterer Materialien sei es aber leichter möglich, die Batterie in eine Großproduktion zu überführen, erklären die Forscher. Das ist das Ziel. Dazwischen stehen noch weitere Laborversuche, bei denen die Wissenschaftler mögliche Hindernisse für die Überführung in die Serienproduktion identifizieren und die Speichereigenschaften noch weiter verbessern. Danach ist eine Testphase eines Prototypen geplant. Dabei sollen dann auch potenzielle Hersteller mit ins Boot geholt werden, die die Batterie in Serie produzieren sollen. (Sven Ullrich)
