Förnybara energikällor kan fluktuera i mängden ström de kan tillhandahålla – vilket är anledningen till att batterier används för att tillfälligt lagra energin. Problemet med litiumjonbatterier är deras korta livslängd, medan redoxflödesbatterier har, hittills, varit kostnadskrävande. Nu, dock, innovativa nya redoxflödessystem finns tillgängliga till samma prispunkt som litiumjonbatterier, och håller dubbelt så länge. Volterion är en spin-off från Fraunhofer Institute for Environmental, Säkerhet och energiteknik UMSICHT, och har lyckats dramatiskt minska tillverkningskostnaderna.

Vår kraftförsörjning beror i allt större utsträckning på förnybara energikällor. Dock, deras kraftproduktion fluktuerar kraftigt – vilket kräver ett medium för att lagra den elektriska energin tills den behövs. Kraftfulla batterisystem är också en integrerad del av annan modern teknik såsom lösningar för elektromobilitet. Nätet är inte utrustat, till exempel, för att ta emot snabbladdningsstationer som arbetar på 350 kilowatt. Elnätet täcker inte heller alla de platser där det skulle vara vettigt att installera sådana stationer. Litiumjonbatterier är av begränsad användning i sådana scenarier, inte minst på grund av deras otillräcklighet i förhållande till cykelns hållbarhet. Två till tre års laddning och tömning av sådana batterier två eller tre gånger om dagen skulle göra dem oanvändbara. Inte så redoxflödesbatterier, som erbjuder överlägsen cykelhållbarhet. De är också icke brandfarliga, återvinningsbar och lätt att modifiera för både kapacitet och prestanda. Detta gör dem särskilt lämpade för applikationer där batterier utsätts för hög stressnivå. Men tills nu, trots dessa fördelar, de har helt enkelt varit kostsamma.

De första prisvärda redoxflödesbatterierna

Forskare vid Fraunhofer UMSICHT i Oberhausen har drastiskt kunnat minska kostnaderna för tillverkningen av redoxflödesbatterier. De innovativa nya batterierna tillverkas och marknadsförs av Fraunhofer spin-off Volterion. För att förstå hur forskarna har optimerat redoxflödesbatteriet, vi måste ta en kort titt på hur dessa batterier är tillverkade. Redoxflödesbatterier består av staplar, som i sin tur består av elektrokemiska celler för att omvandla den elektriska energin till kemisk energi, och elektrolytvätsketankar för att lagra den kemiska energin. Denna stackstruktur är huvudorsaken till att redoxflödesbatterier är så dyra.

Dock, som Dr Thorsten Seipp, tidigare forskare vid Fraunhofer UMSICHT och nu verkställande direktör på Volterion, förklarar:"Vi har kunnat minska cellvikten till tio procent av stapeln, vilket avsevärt minskar kostnaderna. Medan i konventionella stackar, tjockleken på varje cell var ofta så hög som åtta till tio millimeter, vi har lyckats skära ner det till två till tre millimeter." Tack vare materialbesparingen, de nya redoxflödesbatterierna kostar ungefär lika mycket som ett litiumjonbatteri, men håller dubbelt så länge. För första gången, de är överkomliga för användning i en mängd olika applikationer.

Nyckeln ligger i materialet

Framgången beror först och främst på de förbättringar som gjorts i materialet. Staplar är vanligtvis gjorda av en grafit-polymerkomposit. Under bearbetningen, dock, sådana material förlorar sina polymeregenskaper. De långa polymerkedjorna är olösta, och materialet förlorar både sin flexibilitet och en del av sin stabilitet. Anslutningar mellan celler kan inte svetsas; istället måste cellerna sammanfogas med gängade tätningsringar.

"Vad vi gjorde på Fraunhofer UMSICHT var att modifiera materialet och tillverkningsprocessen på ett sådant sätt att materialet behåller sina polymeregenskaper. Som ett resultat av detta, materialet förblir stabilt och flexibelt och kan göras betydligt tunnare, så att staplarna kan svetsas samman, och helt avskaffa snabba tätningsringar, " förklarar Seipp. Detta gör produktionen av staplarna mycket mer kostnadseffektiv, och själva stackarna är mer robusta, för.

Ansökningar från avloppsreningsverk till MR-undersökningar

En av de första tillämpningarna av de nya redoxflödesbatterierna är i ett avloppsreningsverk. Anläggningen använder för närvarande metan för att generera kraft, och det finns planer på att även använda solcellsanläggningar. Ett batteri på 100 kilowatt skulle matcha fluktuationerna i både energiproduktion och energibehov, and this will allow the sewage treatment plan to meet its entire energy requirements self-sufficiently. Redox flow batteries could also be extremely useful in hospitals as a power source for MRI scanners.

"Each MRI scanner has an output of 200 kilowatts, so if you have three or four running at the same time, the circuit is soon overloaded. Putting in a new power line is an expensive solution, costing 80, 000 euros a kilometer, making a redox flow battery a good alternative, " says Seipp. MRI scanners run for a few minutes at a time, during which period they consume huge amounts of power, before lying dormant until the next examination. That means that any battery powering the device is exposed to multiple charge cycles daily. "Our optimized batteries are as if made for this application—and indeed any application calling for short bursts of power in quantities that the grid cannot reliably provide, " finishes Seipp.

För närvarande, the researchers at Fraunhofer UMSICHT are working alongside colleagues from Volterion to make further cost savings in the production of the batteries. They are also looking to scale up the size of the applications. Just nu, the batteries are designed to deliver between 100 and 300 kilowatts, but in the future this could be multiple megawatts.