Untersuchungen zur Speicherung elektrischer Energie mit einem bleibasierten Hybriden Redox-Fluss-System

Lanfranconi, Michael GND

Elektrochemische Energiespeicher weisen ein großes Potential für die Speicherung von elektrischer Energie auf. Um ein wirtschaftliches System mit geringen Gefährdungspotential bei hoher Verfügbarkeit aufzubauen, fehlt jedoch bis dato die passende Technologie. Die Blei- Flow-Batterie auf Basis einer löslichen Blei-Spezies (SLFB engl. Soluble Lead Flow Battery) stellt einen interessanten Kandidaten dar, da die verwendeten Komponenten und Chemikalien günstig erhältlich und weitreichend verfügbar sind. In dieser Arbeit wurde eine SLFB-Prototypenzelle entwickelt, die es ermöglicht, eine SLFB Zelle im Lade- und Entladebetrieb über eine Spanne von 7060 Zyklen zu betreiben. Dies wurde erreicht, indem die Elektrodenoberfläche durch eine elektrochemische Oberflächenmodifikation so gestaltet wurde, dass ein gleichmäßiges und stabiles Schichtwachstum erzielt werden kann. Zudem wurden die verwendeten Elektroden auf einen bestimmten Bereich eingegrenzt und somit perpendikulare Flächen gegenüber der Elektrode, welche bei SLFB Zellen zu Kurzschlüssen führen können, auf ein Minimum beschränkt. Dadurch konnte ein stabiler Zyklenbetrieb über einen Zeitraum von 309 Tagen aufrecht erhalten werden. Über den gesamten Zyklenzeitraum konnte eine sehr hohe gesamte coulomb’sche Effizienz von ca. 98% erreicht werden. Nach dieser Betriebsdauer musste die Zelle gestoppt werden, da sich zwischen den aktiven Massen ein Kurzschluss gebildet hatte. Des Weiteren wurde eine Zelle mit einer fünffach größeren aktiven Oberfläche entwickelt und aufgebaut, welche erfolgreich über eine Spanne von 1213 Zyklen betrieben wurde. Damit konnte gezeigt werden, dass eine Skalierung der Technologie durchaus möglich ist. Die SLFB-Technologie bietet ein hohes Potential, bis heute eingesetzte Blei-Säure Batteriesysteme zu ersetzen. Dazu wurden Methoden erarbeitet, um mit einer solchen Zelle durch geringfügige Modifikationen Zyklenzahlen von über 7000 Zyklen zu erreichen. Dabei können SLFB-Zellen durch einfach durchzuführende Regenerationsvorgänge jederzeit wieder weitestgehend in den Ausgangszustand versetzt werden.

Eletrochemical energy storage devices show great potential for storage of electric power. So far, there has no technology been established for a safe, economic system with high availability for this application. The SLFB (soluble lead flow battery) technology is one potential canditate as all components and chemicals required are abundantly available at low costs. This thesis focuses on design and manufacturing of a SLFB cell which made it possible to cycle for an extended period of 7060 charge and discharge series. This was achieved by development and implementation of an electrochemical surface modification, which leads to a homogeneous and stable formation of the deposited layers. Additionally, a method is described to modify the electrodes in such a manner to mimimise faces perpendicular to the electrode surface. This turns out to be crucial for SLFB cycling performance without shorting of the cell at an early stage. These measures lead to a very stable cycle performance for more than 309 days, without showing any degradation in performance. Very high overall coulombic efficiencies of approximately 98% were obtained over the whole cycling period. At this point, cycling then was terminated by formation of an internal short. Furthermore a cell with an increased eletrochemically active surface area of a factor of five was developed and tested over a period of 1213 cycles. Thus it has been shown that scaling up of this technology is feasable. It has been shown that the SLFB technology has a very high potential to replace established lead-acid systems. With some minor modifications, SLFB cells are able to reach cycle numbers beyond 7000, where it has been shown that through very easy procedures, cells are capable of being regenerated to a great extent.

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Lanfranconi, Michael: Untersuchungen zur Speicherung elektrischer Energie mit einem bleibasierten Hybriden Redox-Fluss-System. 2019.

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