NextRedox - Neue Membranen für Vanadium-Redox-Flow-Batterien der nächsten Generation. Teilvorhaben: Charakterisierung von Kompositmembranen und Optimierung des Druckverlustes in Vanadium-Redox-Flow-Batterien. Schlussbericht

Im Projekt NextRedox lag der Fokus auf der Entwicklung und Optimierung einer Ionomermembran für Vanadium-Redox-Flow-Batterien. Statt einer herkömmlichen Ionomermembran mit etwa 50 μm Dicke, die auf perfluorierten Sulfonsäure-Ionomeren (PFSA) basiert, wurde im Projekt die Realisierung einer Ionomermembran mit einem PP- oder PVC-Trägersubstrat und AEM-Ionomerbeschichtung mit einer Zieldicke von unter 20 μm angestrebt. Die Hauptanforderungen an die Membran sind die chemische und mechanische Stabilität sowie die Ionenselektivität zwischen Protonen und Vanadium-Ionen. Um diese Anforderungen zu erfüllen, kommt eine poröse, inerte Polymerträgerfolie zum Einsatz, die für die notwendige mechanische Stabilität sorgt, während eine nur 1 bis 2 Mikrometer dünne, anionenleitende Ionomerschicht die selektive Durchlässigkeit für Ionen ermöglicht. Diese Schicht soll gezielt das Eindringen multivalenter Vanadiumionen verhindern. Durch die Verringerung der Membrandicke soll sich das Ionomermaterial deutlich materialeffizienter einsetzen lassen. Gleichzeitig trägt der Verzicht auf fluorhaltige Komponenten zur Vereinfachung des Recyclings der Batteriezellen bei und senkt die damit verbundenen Kosten. Zur Einschätzung der mechanischen, elektrochemischen und alterungsbedingten Eigenschaften der neuen Membran wurden im Rahmen des Teilprojekts Charakterisierung von Kompositmembranen und Optimierung des Druckverlustes in Vanadium-Redox-Flow-Batterien des Verbundprojekts NextRedox intensive Untersuchungen der im Projekt entwickelten Ionomermembran sowie zweier kommerzieller Referenzmembranen durchgeführt, wofür Messprotokolle, Teststände sowie Messzellen für die Dickenmessung, Zugprüfung, Durchstoßprüfung, Berstprüfung und Perforationsprüfung entwickelt wurden. Die im Projekt entwickelte Ionomermembran weist mit nur 15 μm eine signifikant geringere Dicke als die Referenz-membranen auf und zeichnet sich zudem mit einer höheren Steifigkeit und Zugfestigkeit aus. Bei den Durchstoß- und Berstprüfungen zeigte die neue Membran eine im Vergleich geringere Schlagfestigkeit und Belastbarkeit, jedoch den höchsten Berstindex, als Verhältnis von Berstfestigkeit zum Flächengewicht. Im Verhältnis zur geringen Dicke und Dichte der neuen Ionomermembran, bietet sie somit eine besonders effiziente mechanische Stabilität. In Bezug auf die elektrochemische Leistungsfähigkeit liegt die neu entwickelte Membran auf einem Niveau mit den kommerziell erhältlichen Referenzmembranen, wies jedoch Schwankungen über die getestete Zyklenzahl. Nach einer künstlichen Alterung im Flow- und Non-Flow-Betrieb wurde zudem eine erhebliche Abnahme der mechanischen Stabilität festgestellt und somit die Notwendigkeit für weitere Optimierungen aufgezeigt, um die Langzeitstabilität der neuen Membran zu erhöhen. Zum anderen wurden im Projekt eine besonders druckverlustarme und strömungseffiziente rahmenseitige Einströmgeometrie entwickelt, um das erwartete hohe Leistungsvermögen der neuen Membranen ausschöpfen zu können. Die Optimierung der Einströmungsgeometrie erfolgte durch CFD-Simulationen, nachdem umfangreiche Material- und Stoffdaten der zu durchströmenden Graphitvlieselektroden sowie des Vanadium-Elektrolyten als Grundlage ermittelt wurden. Zudem wurden ein Teststand mit schneller, gleichmäßiger und reproduzierbarer Assemblierung von Zellen und Stacks entwickelt und die Möglichkeit einer Membranflächenerweiterung durch eine inerte Folie erprobt, um die für die Eindichtung erforderliche Membranfläche zu reduzieren. Insgesamt haben die ermittelten und ausgewerteten Daten, Ergebnisse und Entwicklungen des Teilvorhabens nicht nur zur Erreichung der Projektziele beigetragen, sondern auch wertvolle Erkenntnisse für die weitere Erforschung und Entwicklung von Membranen und Strömungsdesigns für elektrochemische Flow-Reaktoren, insbesondere Vanadium-Flow-Batterien, sowie deren Betrieb und Wartung geliefert. Mit den entwickelten Messprotokollen sowie Testständen und -zellen wurden zudem neue Charakterisierungsmöglichkeiten geschaffen, die nachhaltig die Forschungslandschaft bereichern und am Fraunhofer UMSICHT das Testportfolio und Knowhow stärken und weiter ausbauen.