Verbundvorhaben: NextRedox - Neue Membranen für Vanadium-Redox-Flow-Batterien der nächsten Generation; Teilvorhaben: Montageversuche und Stack-Charakterisierung

Abstract

Im Projekt NextRedox wurde mit der Membran eines der zentralen Bauteile in der Redox-Flow-Zelle optimiert: Die Ionomermembran trennt Anoden- und Kathodenseite voneinander. Im Gegensatz zum Stand der Technik (ionenleitende Membranen mit ca. 50 μm Dicke auf Basis von perfluorierten Sulfonsäure-Ionomeren (PFSA) wurde im Projekt eine fluorfreie, deutlich dünnere (Zielgröße: < 20 μm) Membran entwickelt. Die beiden größten Herausforderungen an die Membran sind die chemische und mechanische Stabilität und die Ionenselektivität zwischen Protonen und Vanadium-Ionen. Um diese Eigenschaften ideal zu erfüllen, wurde im Projekt eine neuartige (Komposit)Membran entwickelt: Die nötige chemische und mechanische Beständigkeit sollte durch eine inerte, poröse Polymerträgerfolie sichergestellt werden; die Ionenselektivität durch eine dünne (1-2 μm), anionenleitende Ionomerschicht, die große Kationen wie multivalente Vanadiumionen abschirmt. Durch die Verringerung der Membrandicke sollte der Materialeinsatz des teuren PFSA-Ionomers erheblich reduziert werden. Alternativ sollte durch neuartige Werkstoffe ganz auf fluorhaltige Ionomere verzichtet werden. Gleichzeitig würde durch die Verwendung vollständig fluorfreier Materialien auch das Recycling der Zellen vergünstigt und vereinfacht. Der Industriepartner Fumatech brachte hier seine Expertise ein, damit neue Membranen in „NextRedox“ marktnah entwickelt werden konnten. Wichtig für eine tatsächliche Umsetzung in Redox-Flow-Batterien ist die Skalierbarkeit: Der Partner Fumatech begleitete dabei die Membranherstellung: Durch regelmäßiges Feedback und Demonstrationsversuche wurde die Membranentwicklung von IMTEK und Hi-Ern von Anfang an so gesteuert, dass auch Faktoren wie Skalierbarkeit und Prozesskosten eine wichtige Rolle spielen. Die weiteren Projektpartner Fraunhofer UMSICHT und SCHMALZ demonstrierten die Funktionalität der Membran im Anwendungsformat und führten detaillierte elektrochemische Untersuchungen durch. In the NextRedox project, the membrane, one of the central components in the redox flow cell, was optimised: The ionomer membrane separates the anode and cathode sides. In contrast to the state of the art (ion-conducting membranes with a thickness of approx. 50 μm based on perfluorinated sulfonic acid ionomers (PFSA)), a fluorine-free, significantly thinner (target size: < 20 μm) membrane was developed in the project. The two biggest challenges for the membrane are chemical and mechanical stability and ion selectivity between protons and vanadium ions. In order to ideally fulfil these properties, a new type of (composite) membrane was developed in the project: The necessary chemical and mechanical resistance was to be ensured by an inert, porous polymer carrier film; ion selectivity by a thin (1-2 μm), anion-conducting ionomer layer that shields large cations such as multivalent vanadium ions. By reducing the membrane thickness, the material usage of the expensive PFSA ionomer should be significantly reduced. Alternatively, novel materials should be used to completely dispense with fluorine-containing ionomers. At the same time, the use of completely fluorine-free materials would also make recycling the cells cheaper and easier. The industrial partner Fumatech contributed its expertise here so that new membranes could be developed close to the market in ‘NextRedox’. Scalability is important for actual implementation in redox flow batteries: the partner Fumatech accompanied the membrane production: through regular feedback and demonstration tests, the membrane development was controlled by IMTEK and Hi-Ern from the outset in such a way that factors such as scalability and process costs also play an important role. The other project partners Fraunhofer UMSICHT and SCHMALZ demonstrated the functionality of the membrane in the application format and carried out detailed electrochemical analyses.