Untersuchung alternativer Elektrolyte und Membranen für die Vanadium-Redox-Flow-Batterie sowie die Kopplung der Batterie mit der photoelektrochemischen Wasserspaltung

Abstract

Für die Leistung einer Vanadium-Redox-Flow-Batterie (VRFB) sind die Funktionskomponenten Elektrode, Separator und Elektrolyt von entscheidender Bedeutung. In der konventionellen VRFB wird als Elektrolyt meist ein Vanadiumsulfatsalz, das in Schwefelsäure gelöst ist, verwendet. Da dieses aber nur eine begrenzte Löslichkeit aufweist, ist die Energiedichte der Batterie ebenfalls begrenzt. In der vorliegenden Arbeit wurde deshalb ein HCl-Elektrolytsystem untersucht, das eine erhöhte Löslichkeit für Vanadiumsulfat aufzeigt und damit eine erhöhte Energiedichte. Die Energie-Effizienzen dieses Systems sind mit denen des konventionellen Systems vergleichbar, wobei die Coulomb-Effizienzen etwas höher und die Spannungs-Effizienzen etwas niedriger liegen. Außerdem wurde ein organisches Vanadiumacetylacetonat-System untersucht, dem eine Ionische Flüssigkeit zugesetzt wurde. Hier wurden im Vergleich zum konventionellen System höhere Spannungen erreicht, da die Potentialbegrenzung durch die Wasserelektrolyse entfällt. Darüber hinaus wurde eine Zelle konstruiert, in der der negative Elektrolyt der VRFB mittels photoelektrochemischer Wasserspaltung wieder regeneriert werden konnte. Zusätzlich wurden in einer Kooperation mit der KIST Europe Forschungsgesellschaft PBI-Membranen als Separatormaterialien in der VRFB untersucht. Die Systeme mit diesem Membrantyp zeigten eine deutlich erhöhte Coulomb- und Energie-Effizienz verglichen mit Systemen, in denen Nafion als Separator verwendet wurde.

The functional materials like electrode, separator and electrolyte have a huge influence on the performance of the Vanadium Redox Flow Battery (VRFB). In the conventional VRFB system, a vanadyl-sulphate salt, diluted in sulfuric acid, is commonly used as an electrolyte. But the solubility of vanadyl-sulphate is limited and by consequence, the energy density is limited as well. In the present work, an HCl-electrolyte was investigated which showed a higher solubility for vanadium sulphate and as a result an increased energy density. Within this system, energy efficiencies are comparable to the conventional system, while coulombic efficiencies are lower and voltage efficiencies are higher. Furthermore, an organic vanadium-acetylacetonate system was tested, in which an ionic liquid was added. Compared to the conventional system, increased voltages were measured since the limitation caused by water electrolysis was not observed. Moreover, a new method for regenerating the negative electrolyte in a VRFB was developed. For this purpose, a cell was constructed in which the negative electrolyte is charged by photoelectrochemical water oxidation. Additionally, in the course of the cooperation with KIST Europe, PBI membranes were investigated in the VRFB. These systems showed a distinctly increased coulombic and energy efficiency compared to systems with Nafion membranes.