Flödande batterier: snälla häll elektroner åt mig!
Forskare från Fraunhofer Institute i Tyskland genomför seriöst utvecklingsarbete inom området elektriska batterier, alternativ till de klassiska. Med redoxflödestekniken är processen för att lagra elektricitet väldigt radikalt annorlunda ...
Batterierna, som laddas med vätska som bränsle, hälls i en bil med bensin- eller dieselmotor. Det låter kanske utopiskt, men för Jens Noack från Fraunhofer-institutet i Pfinztal, Tyskland, är detta faktiskt vardagen. Sedan 2007 har utvecklingsgruppen som han deltar i utvecklat denna exotiska form av uppladdningsbart batteri i full gång. Faktum är att tanken på ett genomströmnings- eller så kallat genomströmningsredoxbatteri inte är svårt, och det första patentet på detta område går tillbaka till 1949. Var och en av de två cellutrymmena, åtskilda av ett membran (som liknar bränsleceller), är anslutna till en reservoar innehållande en specifik elektrolyt. På grund av ämnens tendens att kemiskt reagera med varandra rör sig protoner från en elektrolyt till en annan genom membranet, och elektroner styrs genom en strömkonsument som är ansluten till de två delarna, varigenom en elektrisk ström flyter. Efter en viss tid dräneras två tankar och fylls med ny elektrolyt, och den använda "återvinns" vid laddstationerna.
Även om allt ser bra ut, finns det tyvärr fortfarande många hinder för den praktiska användningen av denna typ av batteri i bilar. Energitätheten för ett vanadinelektrolyt redoxbatteri ligger i intervallet endast 30 Wh per kilogram, vilket är ungefär samma som för ett blybatteri. För att lagra samma mängd energi som ett modernt 16 kWh litiumjonbatteri, på nuvarande redoxtekniknivå, kommer batteriet att kräva 500 liter elektrolyt. Plus all kringutrustning, naturligtvis, vars volym också är ganska stor - en bur som krävs för att ge en effekt på en kilowatt, som en öllåda.
Sådana parametrar är inte lämpliga för bilar, eftersom litiumjonbatteriet lagrar fyra gånger mer energi per kilo. Jens Noack är dock optimistisk, eftersom utvecklingen på detta område bara har börjat och utsikterna är lovande. I laboratoriet uppnår de så kallade vanadinpolysulfidbromidbatterierna en energitäthet på 70 Wh per kilo och är jämförbara i storlek med de nickelmetallhydridbatterier som för närvarande används i Toyota Prius.
Detta minskar den erforderliga volymen tankar i hälften. Tack vare ett relativt enkelt och billigt laddningssystem (två pumpar pumpar ny elektrolyt, två suger ut begagnad elektrolyt) kan systemet laddas på tio minuter för att ge en räckvidd på 100 km. Även snabbladdningssystem som det som används i Tesla Roadster håller sex gånger längre.
I det här fallet är det inte förvånande att många bilföretag vände sig till institutets forskning, och delstaten Baden-Württemberg tilldelade 1,5 miljoner euro för utveckling. Det kommer dock fortfarande att ta tid att nå den biltekniska fasen. "Den här typen av batteri kan fungera mycket bra med stationära kraftsystem, och vi gör redan experimentstationer för Bundeswehr. Men när det gäller elfordon kommer denna teknik att vara lämplig för implementering om cirka tio år, säger Noak.
Exotiska material krävs inte för produktion av genomströmningsredoxbatterier. Inga dyra katalysatorer såsom platina som används i bränsleceller eller polymerer såsom litiumjonbatterier krävs. Den höga kostnaden för laboratoriesystem, som når 2000 euro per kilowatt kraft, beror enbart på att de är unika och tillverkade för hand.
Samtidigt planerar institutets specialister att bygga en egen vindkraftspark, där laddningsprocessen, det vill säga bortskaffandet av elektrolyten, kommer att ske. Med redoxflöde är denna process effektivare än att elektrolysera vatten till väte och syre och använda dem i bränsleceller – momentana batterier ger 75 procent av den elektricitet som används för laddning.
Vi kan föreställa oss laddningsstationer som tillsammans med konventionell laddning av elfordon fungerar som buffertar mot elsystemets toppbelastning. Idag måste till exempel många vindkraftverk i norra Tyskland stängas av trots vinden, eftersom de annars skulle överbelasta nätet.
När det gäller säkerhet finns det ingen fara. ”När du blandar två elektrolyter finns det en kemisk kortslutning som släpper ut värme och temperaturen stiger till 80 grader, men inget annat händer. Naturligtvis är vissa vätskor inte säkra, men också bensin och diesel. Trots potentialen med genomströmningsredoxbatterier är forskare vid Fraunhofer Institute också hårt på att utveckla litiumjonteknik ...
text: Alexander Bloch
Redox flödesbatteri
Ett redoxflödesbatteri är faktiskt en korsning mellan ett konventionellt batteri och en bränslecell. Elektricitet flödar på grund av interaktionen mellan två elektrolyter - en ansluten till cellens positiva pol och den andra till den negativa. I det här fallet ger den ena positivt laddade joner (oxidation), och den andra får dem (reduktion), därav namnet på enheten. När en viss mättnadsnivå uppnås avbryts reaktionen och laddningen består i att ersätta elektrolyterna med färska. Arbetare återställs med den omvända processen.
