Poröse Elektroden zur Erhöhung der Stromdichte und Energieeffizienz in Redox-Flow-Batterien (SPACER)

Die Energiewende hat die Nachfrage nach Energiespeichersystemen erhöht, darunter auch nach Langzeitspeicherlösungen wie Redox-Flow-Batterien (RFBs). RFBs sind jedoch durch hohe Speicherkosten begrenzt, die zum Teil auf eine ineffiziente Elektrodenausnutzung und einen Mangel an massgeschneiderten RFB-Komponenten zurückzuführen sind.

SPACER wird Elektroden mit hoher Leistungsdichte für RFBs entwickeln, mit einer maximalen Leistungsdichte von ca. 1 A cm^-2 und einer Energieeffizienz von >85-90 % bei relevanten Stromdichten (20-30 % höher als bei herkömmlichen Elektroden). Die erwarteten Kosten liegen bis zu 50 % unter denen herkömmlicher Elektroden. Der Ansatz von SPACER besteht in der Verwendung hierarchischer Strukturen, d.h. komplexer mehrschichtiger Materialien. Die Arbeit umfasst:

• Multiskalenmodellierung zum besseren Verständnis des RFB-Verhaltens und zur Identifikation hierarchisch geformter Porenstrukturen für einen optimalen Elektrolyt- und Stromfluss
• Prototyping der modellierten Strukturen unter Verwendung von Stereolithografie (Mikroskala), 3D-Druck (Mesoskala) und Textiltechniken (Makroskala)
• Charakterisierung von Prototypen unter Verwendung modernster Bildgebungstechniken wie EPR zur Validierung der Modelle und der Elektrodenleistung

Drei Entwicklungszyklen (Mikro-, Meso- und Makroskala) werden Einblicke in komplexe Wechselwirkungen und optimale Materialstrukturen liefern, was zu Elektroden führt, die in Mini-Stacks von einem Industriepartner validiert werden. Die vorgesehenen Anwendungen sind etablierte (Vanadium) und RFBs der nächsten Generation (HBr).

SPACER wird 17 Doktoranden einzigartige Fähigkeiten in den Bereichen Elektrochemie, Modellierung, Materialwissenschaften und Zelltechnik vermitteln. Die Beschäftigungsfähigkeit der Doktoranden wird durch hochwertige individuelle Schulungen in wissenschaftlichen und sozialen Kompetenzen sowie strukturierte Netzwerk-Schulungseinheiten weiter verbessert, die sie von der theoretischen Forschung zur industriellen Anwendung führen.

Durch die Beteiligung von drei industriellen Nutzniessern und einem nicht finanzierten Industrieausschuss, Entsendungen in die angewandte Forschung und Industrie sowie eine starke Ausrichtung der Ausbildung auf die Marktbedürfnisse, werden die Doktoranden mit den sektorübergreifenden Kompetenzen ausgestattet, die für eine Karriere im Bereich der elektrochemischen Energiespeicherung erforderlich sind.