Project

Discipline

Redox flow battery; Cycling stability; Vanadium redox flow battery; Polymer electrolyte; Energy efficiency; Energy storage

Lead
Die Bedeutung von Speichertechnologien für elektrische Energie steigt mit dem Anteil im Netz an erneuerbarem Strom aus fluktuierenden Quellen wie Wind und Photovoltaik. Neben den traditionellen Pumpspeicherwerken gewinnen elektrochemische Energiespeicher zunehmend an Wichtigkeit, weil sie flexibel und dezentral einsetzbar sind. Redox-Flussbatterien bestehen aus einem externen Speicher von wässrigem Elektrolyt, welcher redox-aktive Elemente enthält, z.B. Vanadium-Ionen, und einer Wandlereinheit, welche aus einer Anzahl elektrochemischer Zellen besteht. Anders als Lithium-Ionenbatterien eignen sich Redox-Flussbatterien insbesondere für den Tagesausgleich von Stromangebot und -nachfrage. Die Investitionskosten für Vanadium Redox-Flusszellen sind derzeit hoch, unter anderem wegen der Verwendung teurer Ionentauscher-Membranen als Separatoren. Gleichzeitig bieten viele der eingesetzten Materialien noch Verbesserungspotential.
Lay summary
Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts Die Zielsetzung des Projektes ist es, neuartige Separatoren für die Vanadium Redox-Flusszelle zu entwickeln, welche einerseits gegenüber den derzeit verwendeten Materialien funktionelle Vorteile aufweisen, z.B. Kapazitätsverluste über längere Zyklensequenzen minimieren, und zudem Aussicht auf eine kostengünstige Fertigung bieten. Die Verwendung von amphoteren Membranen, welche sowohl negativ als auch positiv geladene Festionen enthalten, hat sich hierbei als besonders vielversprechend erwiesen. Ein integraler Bestandteil des Vorhabens ist ferner der Austausch mit externen Partnern wie Komponenten-, Stapel- und Systementwicklern, um auf Feldversuche der entwickelten Membranen hinzuarbeiten und Möglichkeiten für eine industrielle Umsetzung der Membrantechnologie auszuloten. Dabei sollen auch bereits im Labor Prozessschritte entwickelt und eingesetzt werden, die eine Herstellung der Membranen in genügender Grösse und Anzahl erlauben. Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext Die Arbeit kann dazu beitragen, neue Ansätze in der Membranentwicklung aufzuzeigen und Möglichkeiten zu schaffen, die neuen Materialien in einem industriellen Umfeld darzustellen und zu evaluieren. Für eine weiterführende Entwicklung sind verschiedene Konstellationen denkbar, z.B. die Ausgründung eines neuen Unternehmens (Spin-off), eine Vergabe von Lizenzen oder die Bildung eines Gemeinschaftsunternehmens (Joint Venture). Letztlich ist die Vision, die Konkurrenz- und Marktfähigkeit von Redox-Flussbatterien zu verbessern und so Lösungen für kostengünstigere Stromspeicher anzubieten.

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Last update: 18.12.2017

Number	Title	Start	Funding scheme

Energy storage on the grid-scale is gaining importance in the context of the use of an increasing share of “new” renewables, such as solar and wind power, for electricity generation. The energy storage market is expected to grow significantly over the next decade, and with it the prospects for battery technologies in these stationary applications to complement existing pumped hydroelectric energy storage and power-to-gas / power-to-X concepts in storage applications on the 1-100 MW scale. Redox flow batteries, which comprise an electrochemical converter and an external tank to store the electrolytes containing redox-active species, are particularly attractive for stationary energy storage owing to the independent scalability of energy and power, their safe operation, long cycle-life and deep discharge capability. Vanadium redox flow batteries (VRB) use vanadium-ions in different oxidation states as redox-active species in the two electrolytes, thus irreversible contamination of electrolytes by cross-mixing is avoided. In the current state of the art, the ion exchange membrane used as polymer electrolyte in the cell stack is responsible for about half of the hardware cost of a VRB system. This project aims at implementing a new membrane technology with significantly lower cost and improved performance compared to the perfluorinated membranes widely used today. This will, on the one hand, considerably reduce investment costs for VRB systems. On the other hand, a combination of lower ohmic resistance, lower vanadium crossover and cycling stability leads to superior efficiency of energy storage. The new membrane technology is based on current and ongoing developments at PSI based on the functionalization of pre-existing low-cost polymer films and porous substrates. PSI membranes with sulfonic acid and vanadium barrier motifs have shown superior energy efficiency and cycling stability compared to perfluorinated membranes at low to medium current density. Currently, new membrane architectures with a composite design are adopted to extend the operational regime to higher current densities of >150 mA·cm-2. The membrane design principles are of a generic nature and may lend themselves to adapting membrane materials to other types of redox flow cells. In the project, most promising membrane materials will be determined and developed into prototype membranes with technology readiness level (TRL) 4-5 to enable evaluation in relevant technical stack hardware at external partners. On the one hand, scale-up of membrane preparation will be done in-house at PSI, on the other hand options for off-site membrane fabrication, e.g. via sub-contracting, will be evaluated. The project roadmap envisions different routes for industrial implementation of the membrane technology, which are not mutually exclusive. The preferred option to enable such industrial implementation is the partnership with the German research institutes Bayrisches Zentrum für Angewandte Energieforschung (ZAE), TU München (TUM), and the Karlsruher Institut für Technologie (KIT),. A pre-proposal for a joint project has been submitted to the Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) in Germany, and this Bridge Discovery project is intended to fund the Swiss activities on membrane development in the framework of this overarching collaborative project. Contacts to other academic partners and industry may open up further opportunities for collaboration and implementation, e.g. via licensing of PSI membrane technology.