Alterungserscheinungen an Stromkollektoren für die Vanadium Redox Flow Batterie
Die Energiewende und der Ausbau der erneuerbaren Energien sind mit großen Herausforderungen verbunden. Beispielsweise ist die Nutzung von Wind- und Solarenergie von fluktuierenden Wetterbedingungen abhängig, wodurch eine optimale Grund- und Spitzenlastversorgung erschwert zu regulieren ist. Daher werden elektrochemische Energiespeichersysteme in der zukünftigen Energieversorgung eine wichtige Rolle einnehmen. Die Vanadium Redox Flow Batterie (VRFB) gilt hierbei als eine vielversprechende Energiespeichertechnologie, die den Ausbau der erneuerbaren Energien unterstützen kann. Unter anderem wird sie durch eine flexible und unabhängige Skalierung von Leistung und Energie und eine schnelle Reaktionszeit ausgezeichnet. Nachteilig sind jedoch die niedrige Energiedichte und eine recht moderate Lebensdauer der einzelnen Komponenten. Die Kernbestandteile eines VRFB-Stacks sind die Membran, Elektroden, Elektrolyte und Stromableiter. Als letztere werden kohlenstoffbasierte End- (EP) und Bipolarplatten (BPP) verwendet, die ursprünglich für den Einsatz in Brennstoffzellen entwickelt wurden. In der VRFB herrscht jedoch ein anderes Milieu vor als in Brennstoffzellen. Aufgrund der sauren Umgebungsbedingungen und des hoch oxidierenden Elektrolyts sind Stromkollektoren in der VRFB anfällig für Korrosionen und zeigen Alterungserscheinungen. Durch eine heterogene Konzentrationsverteilung der Elektrolytionen an den EP/BPP können punktuelle Überspannungen entstehen und zu zusätzlichen Korrosionserscheinungen führen. Die unerwünschten Veränderungen an den Stromableitern können den Batteriebetrieb negativ beeinflussen, indem Nebenreaktionen einen Teil des Stroms konsumieren und zu einer niedrigeren Energieeffizienz oder zu Batterieausfällen führen können. Bisher finden sich nur wenige wissenschaftliche Publikationen über die Alterung von EP/BPP in der VRFB, obwohl Stromkollektoren als essenzielle Bauteile des gesamten Systems anzusehen sind. Für die Weiterentwicklung von VRFB ist es entscheidend ein besseres Verständnis über die Einflussfaktoren der Alterung von EP/BPP zu erlangen. Daher sollen im Rahmen des angestrebten Promotionsvorhabens Alterungserscheinungen an verschiedenen kohlenstoffbasierten EP/BPP untersucht werden. Hierbei werden variable Ladezustände der Batterie, unterschiedliche Ladeschlussspannungen, verschiedene Lade- und Entladeströme und andere Einflüsse bzw. Betriebsführungsbedingungen auf die EP/BPP in der VRFB analysiert.
Die gezielte Alterung der EP/BPP soll sowohl in einer elektrochemischen Zelle als auch in einer VRF-Einzelzelle erfolgen. Um die Korrosionsmechanismen und die elektrochemische Aktivität der Stromkollektoren zu untersuchen, werden unterschiedliche elektrochemische Messroutinen angewandt. Dazu zählen Polarisationskurven, potentiostatische, galvanostatische und potentiodynamische Messmethoden und Impedanzuntersuchungen. Die Bestimmung der elementaren Zusammensetzung und die Veränderung der Oberflächenfunktionalität der Stromableiter sollen nach der gezielten Alterung mittels X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysiert werden. Morphologische Veränderungen auf der EP/BPP-Oberfläche werden mit dem Rasterelektronenmikroskop (REM) und dem Mikro-Computertomographen (Mikro-CT) untersucht. Hierbei kann der Mikro-CT auch wichtige Informationen hinsichtlich möglicher Strukturveränderungen im Inneren der EP/BPP geben. Aus dieser Arbeit sollen nützliche Informationen gewonnen werden, die für die weitere Materialentwicklung und auch für die Batteriebetriebsführung entscheidend sind.