Kinetische Charakterisierung und Bewertung des Optimierungspotentials von Kohlenstofffilzelektroden für Vanadium-Redox-Flow-Batterien

Die Vanadium-Redox-Flow-Batterie ist ein vielversprechender Energiespeicher für die bekanntermaßen dringend notwendige Energiewende. Sie zeichnet sich durch ihre hohe Langzeitstabilität und geringe Degradation aus, wodurch sie sich sehr gut für stationäre Anwendungen zur Zwischenspeicherung von Sonnen- und Windenergie eignet. Leistung und Speicherkapazität der Batterie sind getrennt skalierbar. Der Elektrolyt, in dem die elektrische Energie chemisch gespeichert wird, befindet sich in externen Tanks und wird durch die Zelle gepumpt. Die Zellfläche bestimmt dabei die Leistung der Batterie. Während der Ladung bzw. Entladung der Batterie finden an den porösen Elektroden aus Kohlenstoffilz die Oxidations- und Reduktionsreaktionen der aktiven Spezies statt. Bei der Vanadium-Redox-FlowBatterie sind dies in beiden Halbzellen Vanadiumsalze, da Vanadium in vier Oxidationsstufen vorliegen kann. Für weitere Optimierungen der Technologie sind Kenntnisse der detaillierten Prozesse der VanadiumIonen an den Elektroden notwendig. Die Untersuchung dieser Reaktionen erweist sich jedoch als sehr komplex, da die porösen Elektroden eine korrekte Messung erschweren. Die Elektrolyt-gefüllten Poren der Elektrode sorgen für eine niedrige Leitfähigkeit der Gesamtelektrode, was durch die inhomogene Stromdichteverteilung die korrekte Erfassung der Kinetik erschwert. Dazu sind die korrekte Bestimmung der Oberfläche der porösen Materialien sowie die starke Inhomogenität der Kohlenstoffmaterialien eine Herausforderung. Daher werden statt der realen Kohlenstofffilze häufig Modellelektroden (wie z.B. Glaskohlenstoff) genutzt, zusätzlich werden die Messungen bei sehr geringen Elektrolytkonzentrationen durchgeführt. Die Eigenschaften dieser Materialien sind allerdings nicht vergleichbar mit den realen Bedingungen. Die Untersuchung der kinetischen Prozesse an den technischen Elektrodenmaterialien unter realitätsnahen Bedingungen wie der real vorliegenden Elektrolytkonzentrationen ist daher der Fokus dieser Arbeit. Um die Problematik der porösen Struktur zu umgehen, werden dazu Einzelfaserelektroden mit Fasern aus den realen Materialien hergestellt. An diesen können durch die Aufnahme von elektrochemischen Impedanzspektren sowie Polarisationskurven in Elektrolytlösungen verschiedener Konzentrationen kinetische Parameter wie die Reaktionsordnung, die Ladungsübertragungskoeffizienten sowie die Austauschstromdichte bestimmt werden. Diese Ergebnisse werden in dieser Arbeit in einem Modell zur Beschreibung der porösen Elektrode genutzt um den Einfluss der Inhomogenität der Elektrode sowie das weitere Optimierungspotential der Elektrodenprozesse zu bewerten. Zur Modellvalidierung werden neben den Messungen an Einzelfasern auch Untersuchungen an Halbzellen mit porösem Elektrodenfilz durchgeführt. Es zeigt sich, dass bei der negativen Elektrode noch Optimierungspotential hinsichtlich der Kinetik vorhanden ist, im positiven Elektrolyten wäre dagegen eher eine Verbesserung der Leitfähigkeit der Gesamtelektrode anzustreben. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen außerdem, dass bei beiden Elektroden die Reaktionsgeschwindigkeit stark von der Elektrolytkonzentration abhängig ist. Die möglichen zugrundeliegenden Prozesse werden detailliert beleuchtet, so zeigt sich, dass an der negativen Elektrode eine Änderung des Reaktionsmechanismus vorliegt, während die Änderungen an der positiven Elektrode auf Komplexbildungen zurückzuführen sein könnten.