Technologie vor 449 Tagen

Das Prinzip „Redox“

Mit der zum Patent vorbereiteten nanoFlowcell®, einer revolutionären Weiterentwicklung der bereits bewährten Flusszellen-Technologie, machte die nanoFlowcell AG erstmals den Einsatz eines Batterie-Systems mit Flusszellen-Technik im Automobil möglich. Im ersten Prototypen der QUANT Modellreihe, dem QUANT E, verhalf die besonders leistungsfähige und kompakte nanoFlowcell® der Sportlimousine zu einer Beschleunigung von 0 auf 100 km/h in 2.8 Sekunden, einer Höchstgeschwindigkeit von 380 km/h und einer Reichweite von 600 Kilometern. Bei den aktuellen Modellen QUANT FE und QUANTiNO liegen die Reichweiten deutlich über diesem Wert.

Doch wie funktioniert eine Redox-Flowcell? Wieso ist sie besser als herkömmliche Akkumulatoren? Und wodurch unterscheidet sich nanoFlowcell® von einfachen Redox-Flussbatterien?

Das Prinzip der Flussbatterie oder auch Redox-Flowcell genannt

Redox-Flow-Batterien (Red für Reduktion = Elektronenaufnahme, Ox für Oxidation = Elektronenabgabe), oder auch Flussbatterien oder Flüssigbatterie genannt, basieren auf einem flüssigen elektrochemischen Speicher. Das Prinzip der Redox-Flow-Batterie wurde bereits 1976 für die amerikanische Weltraumbehörde NASA patentiert. Ihr Ziel war die rasche Entwicklung von Energiespeichern für die Raumfahrt voranzutreiben. Die Patente von 1976 liegen längst offen und werden allseits verwendet. Redox-Flow-Batterien gelten als sehr aussichtsreich, zukünftig für die besonders einfache und effektive Speicherung von elektrischer Energie eingesetzt zu werden. Erste stationäre Redox-Flow-Anlagen sind bereits heute in der häuslichen Elektroinfrastruktur integriert, überwiegend als Pufferbatterien, oder Reservequellen zur unterbrechungsfreien Stromversorgung beim Einsatz von Solar- und Windkraftanlagen.

Redox-Flow-Batterien speichern - anders als Blei-Akkus oder Lithium-Ionen-Batterien - Energie in flüssigen Elektrolyten. Bei den Elektrolytflüssigkeiten für Flusszellen handelt es sich üblicherweise um Metallsalze in wässriger Lösung, die in zwei voneinander vollkommen unabhängigen Kreisläufen fließen. Eine zwischengeschaltete, spezielle Membran teilt die Zelle in zwei Halbzellen. Die Membran verhindert eine Vermischung der beiden Elektrolytflüssigkeiten, lässt aber einen Austausch von Ionen zu. Die Elektrolytflüssigkeiten der beiden Halbzellen werden nun an der Membran vorbei gepumpt. Hier vollzieht sich die eigentliche chemische Reaktion, indem eine Reduktion oder Oxydation stattfindet, wobei Energie freigesetzt wird.

Da die Elektrolytflüssigkeiten außerhalb der Zellen in getrennten Tanks gelagert werden, spricht man bei der Redox-Flow-Batterie von einem elektrochemischen Energiespeicher, ähnlich dem einer traditionellen Brennstoffzelle. Energiemenge und Leistung einer Redox-Flow-Batterie können unabhängig voneinander verändert werden.

Je größer der Tank für die Elektrolyt-Flüssigkeit, desto größer die Energiemenge. Gleichzeitig entscheidet auch die Konzentration der Elektrolytflüssigkeit über die transportable Energiemenge. Speichersysteme auf Basis der Redox-Flow-Technologie können daher variabel an die jeweilige Anwendung adaptiert werden.

Redox-Flowcell im Vergleich

Generell verläuft die Energieübertragung innerhalb der Flusszelle zwischen zwei plattenförmigen Polen (plus und minus) mittels einer ionisierbaren Flüssigkeit, ganz ähnlich wie beim altbewährten Bleiakku im Auto. Der Nachteil der Bleiakkus: Sie sind mit 50 Wh/l relativ schwache Ladungsträger, dazu schon wegen ihrem hohen Bleigehalt sehr schwer. Darüber hinaus beginnen sie ab etwa 500 Ladezyklen, aufgrund des sogenannten Memory-Effekts, in ihrer Kapazität stark nachzulassen. Die moderne Lithium-Ionen-Batterietechnik mit einer vierfach höheren Ladungsdichte von 250 Wh/l und einem Limit von etwa 1.000 Ladezyklen gilt derzeit als akzeptable Zwischenlösung. Moderne Flusszellen hingegen bieten bereits heute etwa die gleiche Leistungsdichte und dabei eine längere Haltbarkeit, da hier kein Memory-Effekt auftritt.

Ein Schritt voraus - nanoFlowcell®

Im Wesentlichen ist die nanoFlowcell® eine besonders leistungsfähige und kompakte Flussbatterie. Jedoch konnte die nanoFlowcell AG die Energiedichte in der nanoFlowcell® gegenüber modernen Flussbatterien erheblich steigern. Die höhere Leistung der nanoFlowcell® ist in den speziellen Eigenschaften der neu entwickelten Elektrolyte begründet: Eine spezielle Zusammensetzung von Metallsalzen in einer hochwertigen Elektrolytflüssigkeit. Die Ladungsträger innerhalb der Trägerflüssigkeit ließen sich durch definierte Nano-Mechanismen im Bereich der Quantenchemie auf ein völlig neues Niveau für die Ladungsdichte - und damit für die Menge an gespeicherter Energie - einstellen. Bemerkenswerterweise gelingt die Ladungsbewegung innerhalb der Zelle beinahe ohne Verluste. Der innere Wirkungsgrad der nanoFlowcell® liegt bei über 80 Prozent.

Bei der nanoFlowcell® ist die Energie in flüssigen Elektrolyten gespeichert, die in zwei separaten Tanks gelagert und die ähnlich wie bei einer traditionellen Redox-Flow- oder Brennstoffzelle durch einen Wandler gepumpt werden.

Auch bei der nanoFlowcell® ist durch die Separation von Energiewandler und Energiespeicher die gespeicherte Energiemenge nicht mehr von der Zellengröße abhängig. Dank ihrer unbeschränkten Skalierbarkeit, ihrem unkomplizierten Aufbau sowie einfachster Handhabung liegen die Vorteile der nanoFlowcell® als Antrieb in Elektrofahrzeugen auf der Hand.

Das Aufladen der nanoFlowcell® geschieht nicht wie bei einer regulären Flussbatterie durch Aufladung, sondern durch Nachtanken der entladenen Flüssigelektrolyte. Bei der nanoFlowcell® in den QUANT-Modellen wird die verbrauchte Elektrolytflüssigkeit vernebelt, der Tank leert sich. Der Tankvorgang bei einem QUANT-Modell ist daher ähnlich dem eines regulären Benzin- oder Diesel-Fahrzeug.

Ein weiterer umweltrelevanter Aspekt ist, dass die nanoFlowcell® - anders als herkömmliche Redox-Flow-Batterien - ohne Einsatz seltener und damit vergleichsweise teurer Substanzen auskommt. Im Gegensatz zu Energieträgern wie Benzin, Diesel, Wasserstoff oder Li-Ion-Batterien, sind die Elektrolytflüssigkeiten in der nanoFlowcell® weder brennbar noch explosionsfähig und zudem gesundheitlich völlig unbedenklich.

Die Energiedichte der nanoFlowcell® liegt derzeit um den Faktor 20 höher als bei einem Bleiakkumulator. Das bedeutet, dass man mit der gespeicherten Energie bei gleichem Akku-Gewicht 20 mal weiter fahren kann. Im Vergleich zur gegenwärtigen Lithium-Ionen-Technik, die in vielen modernen Elektroautos eingesetzt wird, erreicht die nanoFlowcell® mit 600 Wh/L eine fünf- bis sechsfach größere Energiedichte und somit eine entsprechend höhere Reichweite. Im Gegensatz zu einem Lithium-Ionen-Akku, der sein Limit bei etwa 1.000 Ladezyklen erreicht, tritt in der nanoFlowcell® auch nach 10.000 Ladezyklen noch kein Memory-Effekt ein, wodurch sie länger haltbar und ressourcenschonender ist.

Kurzum, die nanoFlowcell® ist besonders leistungsfähig, kompakt, gut skalierbar sowie völlig unkompliziert im Aufbau und in der Handhabung. In Kombination sind dies bedeutsame Eigenschaften, die nanoFlowcell® für den Einsatz in modernen Elektrofahrzeugen prädestinieren.

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