Wasseraufbereitung und Speicherung von Batterieenergie – neuer Membran Typ wurde entwickelt

Wissenschaftlern des Imperial College London ist es gelungen, einen neuen Membran Typ für die Wasseraufbereitung zu entwickeln. Dabei handelt es sich um einen vollkommen neuen Ansatz für ein Ionenaustauschmembran Design, das zu einer spürbaren Verbesserung der Wasseraufbereitung und damit der Speicherung von Batterieenergie beitragen könnte. Bei dem neuen Ansatz, der aktuell in der Zeitschrift Nature Materials veröffentlicht wird, verwenden die Wissenschaftler kostengünstige Kunststoffmembranen, die viele kleine hydrophile, also wasseranziehende Poren enthalten. Dadurch wird die bisherige Technologie verbessert, die teurer und schwieriger in der Anwendung ist.

Nafion als aktuelles Ionenaustauschmembran

Die aktuellen Ionenaustauschmembranen, die auch als Nafion bekannt wird, werden zur Speicherung von erneuerbaren Energien in Brennstoffzellen und in Batterien verwendet. Der Nachteil liegt darin, dass die Membran sehr teuer ist und dass deren Ionentransportkanäle nicht sehr gut definiert wurden. Dem gegenüber stehen preiswerte Membranen, die im Normalfall für den Ionentransport nicht geeignet sind. Sie besitzen keine ausreichende Leitfähigkeit oder sie sind nicht selektiv genug. Nun wurde von einem Team unter der Leitung von Dr. Qilei Song von Imperial und Professor Neil McKeown von der Universität Edinburgh eine neue Ionentransportmembrantechnologie entwickelt, mit der die Kosten für die Speicherung von Energie in Batterien und die Reinigung von Wasser gesenkt werden könnten.

Entwicklung neuer Membranen mithilfe von Computersimulationen

Für die Entwicklung der Membranen wurde die neue Klasse der mikroporösen Polymere zunächst in einer Computersimulation erstellt. Diese sind für ihre intrinsische Mikroporosität (PIM) bekannt und können ihre Bausteine für unterschiedliche Eigenschaften ändern. Diese Erfindung könnte zur Nutzung und Speicherung erneuerbarer Energien beitragen und die Verfügbarkeit von sauberem Trinkwasser in Entwicklungsländern erhöhen.

Eigenschaften der neuen Polymere

Die neu entwickelten Polymere bestehen aus starren und verdrehten Grundgerüsten. Darin ähneln sie einer Fusilli-Nudel. Sie enthalten winzige Poren, sogenannte „Mikroporen“. Diese stellen starre, geordnete Kanäle bereit, die durch die Moleküle und Ionen aufgrund ihrer physikalischen Größe selektiv wandern.

Polymere sind löslich

Die Polymere sind in üblichen Lösungsmitteln löslich, sodass sie in ultradünne Filme gegossen werden können. Dies sorgt für eine weitere Beschleunigung des Ionentransports. Diese Faktoren bedeuten, dass die neuen Membranen in einer Vielzahl von Trennverfahren und elektrochemischen Geräten eingesetzt werden können, die einen schnellen und selektiven Ionentransport erfordern.

Wasser

Um PIMs wasserfreundlicher zu machen, wurden wasseranziehende funktionelle Gruppen, die als Tröger-Basen- und Amidoximgruppen bekannt sind, eingebaut. Somit sind sie in der Lage, kleine Salzionen zu passieren, während große Ionen und organische Moleküle erhalten bleiben.

Batterien

Batterien speichern und konvertieren Energie aus erneuerbaren Quellen wie Wind und Sonne, bevor die Energie in das Stromnetz eingespeist und die Haushalte mit Strom versorgt werden. Das Stromnetz kann diese Batterien nutzen, wenn erneuerbare Energiequellen knapp werden. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn Sonnenkollektoren nachts keine Energie mehr sammeln.

Durchflussbatterien verwenden teure Salze

Durchflussbatterien sind für eine solche Langzeitlagerung in großem Maßstab geeignet, doch derzeitige kommerzielle Durchflussbatterien verwenden teure Vanadiumsalze, Schwefelsäure und Nafion-Ionenaustauschmembranen. Diese Bestandteile sind teuer und schränken die großtechnischen Anwendungen von Durchflussbatterien ein.

Aufbau einer typischen Durchflussbatterie

Eine typische Durchflussbatterie besteht aus zwei Tanks mit Elektrolytlösungen, die an einer zwischen zwei Elektroden gehaltenen Membran vorbeigepumpt werden. Der Membrantrenner ermöglicht den Transport ladungstragender Ionen zwischen den Tanks und verhindert gleichzeitig die gegenseitige Vermischung der beiden Elektrolyte. Das Vermischen von Materialien kann zu einem Leistungsabfall der Batterie führen.

Forscher entwickeln preiswerte Membranen

Mit ihren PIMs der neuen Generation entwickelten die Forscher billigere, leicht zu verarbeitende Membranen mit genau definierten Poren, die bestimmte Ionen durchlassen und andere fernhalten. Sie demonstrierten die Anwendung ihrer Membranen in organischen Redux-Flow-Batterien unter Verwendung von kostengünstigen organischen redoxaktiven Spezies wie Chinonen und Kaliumferrocyanid. Ihre PIM-Membranen zeigten eine höhere molekulare Selektivität für Ferrocyanid Anionen und damit einen geringen „Crossover“ von Redoxspezies in der Batterie, was zu einer längeren Lebensdauer der Batterie führen könnte.

Blick in die Zukunft

Als Nächstes werden die Forscher diesen Membrantyp skalieren, um Filtrationsmembranen herzustellen. Sie werden sich außerdem mit der Vermarktung ihrer Produkte in Zusammenarbeit mit der Industrie befassen und dabei mit RFC Power zusammenarbeiten. Dabei handelt es sich um ein Spin-out-Unternehmen für Durchflussbatterien, das vom britischen Mitautor Professor Nigel Brandon gegründet wurde.

Quellen: Phys.org

Bildquelle: Manuchi_Pixabay

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