Evaluierung von Chinon- und Indigosulfonsäuren für organische Redox-Flow-Batterien

Bauer, Stina

doi:10.21268/20230714-1

published

Evaluierung von Chinon- und Indigosulfonsäuren für organische Redox-Flow-Batterien

German
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Eine große Herausforderung bei der Integration erneuerbarer Energien in das bestehende Stromnetz ist ihre diskontinuierliche und teilweise regional begrenzte Produktion. Um diese Schwankungen auszugleichen, kann die Energie bei einem Überangebot gespeichert und bei gesteigerter Nachfrage wieder in das Stromnetz eingespeist werden. Mit steigendem Anteil erneuerbarer Energien wird daher auch der Bedarf an Zwischenspeicherung immer bedeutsamer. Im Bereich der stationären Anwendung stellt die Redox-Flow-Batterie (RFB) eine vielversprechende Speichertechnologie dar. Zentrale Merkmale der RFB sind die räumliche Trennung des Ortes der Energiespeicherung vom Ort der Energieumwandlung sowie das Vorliegen der elektrochemisch aktiven Paare in fließfähigen Elektrolyten. Im Gegensatz zu anderen Batterien erfolgt bei der RFB die Energiespeicherung somit in der Elektrolytlösung und nicht im Elektrodenmaterial. Eine der zurzeit am weitesten entwickelten RFBs ist die Vanadium-Redox-Flow-Batterie (VRFB). In den letzten Jahren hat jedoch auch die Erforschung neuer, redoxaktiver organischer Spezies für den Einsatz in RFBs deutlich zugenommen. Der Fokus dieser Arbeient lag auf der Synthese von Indigosulfonsäuren, der Bestimmung grundlegender Eigenschaften von chinon- und indigosulfonsäurehaltigen Elektrolyten mit Schwefelsäure als Grundelektrolyt sowie auf der Prüfung ihrer Einsatzfähigkeit in einer Redox-Flow-Batterie. So konnte, basierend auf der literaturbekannten Synthese der Indigosulfonsäuren, die Aufarbeitung optimiert und ein vergleichbarer Syntheseweg für die strukturanalogen Thioindigosulfonsäuren entwickelt werden. In einem weiteren Schritt konnte dann das Redox-Potential und die Löslichkeit der Indigosulfonsäuren sowie ausgewählter Chinonsulfonsäuren im Grundelektrolyt ermittelt werden. Zudem wurden die elektrische Leitfähigkeit, die Viskosität, die Lichtstabilität und die thermische Stabilität des gesamten chinon- oder indigosulfonsäurehaltigen Elektrolyts bestimmt. Ausgehend von der Gegenüberstellung dieser als grundlegend angesehenen Eigenschaften der organischen Elektrolyte mit denen der vanadiumhaltigen Elektrolyte konnten geeignete Spezies für die Prüfung der Einsatzfähigkeit in einer Redox-Flow-Batterie identifiziert werden. Die durchgeführten Untersuchungen in einer Durchflusszelle haben gezeigt, dass von den betrachteten Spezies vier Verbindungen für den Aufbau einer konkurrenzfähigen, wasserbasierten organischen RFB geeignet sind.

A major challenge in integrating renewable energy into the existing power grid is its intermittent and regional production. To compensate for these fluctuations, energy can be stored when there is an oversupply and fed back into the power grid later. Therefore, as the ratio of renewable energy increases, the need for intermediate storage becomes more significant. In the area of stationary applications, the redox flow battery (RFB) represents a promising storage technology. Central features of the RFB are the spatial separation of the site of energy storage from the site of energy conversion and the presence of electrochemically active species in liquid electrolytes. Unlike other batteries, energy storage in RFB thus occurs in the electrolyte solution rather than in the electrode material. Currently, one of the most advanced RFBs is the vanadium redox flow battery (VRFB). However, in recent years, there has also been a significant increase in the research and synthesis of new redox-active organic species for use in RFBs. The focus of this work was on the synthesis of indigosulfonic acids, determination of basic properties of quinone and indigosulfonic acid containing electrolytes with sulfuric acid as supporting electrolyte, and testing their applicability in a redox flow battery. Thus, based on the synthesis of indigosulfonic acids known from the literature, the purification was optimized and a similar synthetic route for the analogous thioindigosulfonic acids was developed. Afterwards, the redox potential and solubility of the indigosulfonic acids and selected quinonesulfonic acids in the supporting electrolyte were measured. In addition, the electrical conductivity, viscosity, light stability and thermal stability of the entire quinone or indigosulfonic acid containing electrolyte were determined. Based on the comparison of these properties of the organic electrolytes with those of the vanadium-containing electrolytes, it was possible to identify suitable species for use in a redox flow battery. Studies conducted in a flow cell showed that, of the species considered, four compounds are suitable for the construction of a competitive water-based organic RFB.