Furiak, Daniel: Weiterentwicklung und elektrochemische Charakterisierung einer Vanadium-Redox-Fluss-Batterie

Abstract in German:

Basierend auf einer bestehenden Vanadium-Redox-Fluss-Batterie (VRFB) wird ein neues VRFB-System entwickelt und optimiert. Für eine gleichmäßige Elektrolytverteilung in den porösen Graphit-Elektroden werden Strömungsfelder aus einem Graphit Kompositmaterial eingesetzt. Die geometrische Auslegung und Optimierung der Strömungsfelder wird in Kombination mit einer Strömungssimulation durchgeführt. Zur Verringerung der ohmschen Verluste werden in der Reaktionszelle Stromkollektoren aus Kupfer eingesetzt. Zudem werden die Elektroden durch konzentrierte Schwefelsäure sowie durch eine thermische Behandlung bei 400 °C oxidiert. Dadurch steigt die Anzahl der funktionellen Gruppen an der Elektrodenoberfläche an, wodurch Überspannungen reduziert und die Redoxreaktionen elektrochemisch katalysiert werden. Mittels der Cyclovoltammetrie kann nachgewiesen werden, dass durch die Elektrodenmodifikation das Redox-Paar V2+/V3+ deutlich stärker elektrochemisch katalysiert wird als das Redox-Paar V5+/V4+. Zudem zeigt sich anhand der elektrochemischen Impedanzspektroskopie, dass durch die Modifikation der Durchtrittswiderstand beim Redox-Paar V5+/V4+ um ca. 85 % und beim Redox-Paar V2+/V3+ um ca. 94 % gesenkt werden kann. Gleichzeitig steigt durch die Erhöhung der funktionellen Gruppen die Doppelschichtkapazität um den Faktor zwei an. Bei den Strom-Spannungskennlinien zeigt sich bereits durch den Einsatz der Strömungsfelder eine Verringerung der Durchtrittsüberspannung und eine Erhöhung der elektrochemischen Kinetik. Die größte Steigerung wird durch die Oxidation der Elektroden erzielt, was zu einer Erhöhung der Betriebsstromdichte um den Faktor 35 führt. Damit zusammenhängend kann die maximale Leistungsabgabe von 206 mW auf über 477 mW angehoben werden. Das neue System kann ca. 25 % mehr Ladungsmenge speichern. Die Spannungseffizienz steigt von ca. 53 % auf 83 % an. Insgesamt erhöht sich die Energieeffizienz des VRFB-Systems von ca. 50 % auf ca. 80 %, für eine Stromdichte von ± 3 mA cm^(-2).