Viereinhalb Jahre lang haben Ulrich Schubert und sein Team von der Universität Jena an der neuen Batterie getüftelt. Nun präsentieren sie das Ergebnis im Wissenschaftsmagazins Nature und in einem mausgrauen Schrank mit Glastür in ihrem Labor. Dort steht ihre weltweit patentierte Redox-Flow-Batterie, die im Wesentlichen Kunststoffe, Kochsalz und Wasser enthält. Sie soll künftig Solar- oder Windstrom speichern - und das besonders kostengünstig. "Unsere Batterie kann einen wichtigen Beitrag für die Energiewende leisten", ist Schubert überzeugt.
Redox-Flow-Batterien, auch Flüssigbatterien genannt, funktionieren generell anders als die Klassiker mit Blei- oder Lithiumverbindungen. Sie speichern elektrische Energie nicht in metallischen Elektrodenmaterialien an Minus- und Pluspol, sondern in zwei flüssigen Lösungen, die in externen Tanks gelagert und bei Bedarf zur Ladungsaufnahme oder -abgabe in eine elektrochemische Zelle gepumpt werden. Eine Membran verhindert, dass sich die Flüssigkeiten mischen. Konventionelle Redox-Flow-Batterien enthalten in der Regel seltene und teure Vanadiumsalze, die in konzentrierten Säuren gelöst sind und als Elektrolyte wirken.
Solche Flüssigbatterien haben mehrere Vorteile: Ihre Speicherkapazität lässt sich unabhängig von der Leistung über die Größe der Tanks steuern. Sie entladen sich nicht von selbst und halten etwa 20 Jahre, mehr als doppelt so lange wie Lithiumbatterien. Die Vanadium-Varianten sind schon mancherorts im Einsatz, auf der Nordseeinsel Pellworm zum Beispiel, wo sie seit einigen Jahren Solar- und Windstrom speichern. Und erst kürzlich wurde unter Federführung des Unternehmens Younicos aus Berlin eine hausgroße Redox-Flow-Batterie an ein süddeutsches Verteilernetz angeschlossen. "Redox-Flow-Batterien können bei der Energiewende eine wichtige Rolle spielen", betont Younicos-Sprecher Philip Hiersemenzel. Dass sie sich noch nicht durchgesetzt haben, liege an fehlenden großen Herstellern, die für eine effizientere Vermarktung sorgen könnten - und am Preis.
Das Elektrolyt der Batterie wird aus Plastikmolekülen gemacht
Die letztgenannte Hürde wollen die Forscher aus Jena jetzt beseitigt haben. Ihre Batterie arbeitet mit langkettigen Kunststoffmolekülen, die in einer pH-neutralen Kochsalzlösung gelöst sind. "Deshalb brauchen wir keine der bisher üblichen feinporigen, säurefesten und vor allem teuren Trennmembranen", sagt Schubert. Es genügen zum Beispiel einfache Zellulosefilter, die deutlich billiger sind und unter anderem in Kläranlagen im industriellen Einsatz sind.
Auch bei der Wahl der Kunststoffe haben die Wissenschaftler auf die Kosten geachtet. Sie setzen ganz ähnliche Moleküle ein, die bei der Produktion von Styropor beziehungsweise Plexiglas zum Einsatz kommen und die sich in Wasser zu langen Ketten vernetzen lassen. Die Chemiker haben lediglich zwei Molekülteile angebaut, einen, der für die Löslichkeit in Wasser sorgt, und einen weiteren, der Elektronen aufnehmen und wieder abgeben kann. Diese modifizierten Kunststoffe können Schubert zufolge in gängigen Anlagen der Chemiekonzerne hergestellt werden.
Im Sommer des nächsten Jahres will das Start-up-Unternehmen JenaBatteries GmbH eine Kleinserie der neuen Stromspeicher fertigen und testen. Diese ersten Prototypen werden zwar noch teurer als Lithiumbatterien sein. Aber sobald Tausende Tonnen der Kunststoffmoleküle jährlich produziert werden, dürften die Preise deutlich unter denen aller anderen aktuellen Batterietypen liegen, prognostiziert Schubert.
Die Batterie übersteht mindestens 10 000 Ladezyklen
Die Nature-Publikation ist dabei nicht die einzige Erfolgsmeldung zu metallfreien Redox-Flow-Batterien. Erst kürzlich berichtete ein Forscherteam der Universität Harvard im Fachblatt Science von einer Variante, die mit preisgünstigen Farbstoffen und Salzrieselhilfen in einer stark alkalischen Lösung arbeitet. Doch Schubert hält sein Batteriekonzept für geeigneter. Die bisher vorgestellten Varianten enthalten die teuren konventionellen Membranen und überstehen nur wenige Hundert Ladezyklen. Bei der Kunststoffbatterie sind es gut 10 000. "Das entspricht einer Lebensdauer von über 20 Jahren, wie sie etwa auch für eine Solaranlage gefordert wird", betont der Chemiker.
Fachkollegen halten das neue Stromspeicherkonzept für vielversprechend. "Überstehen die Kunststoffe tatsächlich 20 Jahre Batteriebetrieb, könnte das der richtige Weg sein, um den Redox-Flow-Batterien zum Durchbruch zu verhelfen", sagt Dirk Uwe Sauer von der Rheinisch-Westfälisch Technischen Hochschule Aachen. Peter Fischer vom Fraunhofer-Institut für chemische Technologie in Pfinztal sieht das ähnlich - "auch wenn es bis zum Industrieprodukt sicher noch ein großer Sprung ist", sagt er.
Derweil arbeitet Schuberts Team im Labor schon an der nächsten Generation der XXL-Kunststoffmoleküle, damit die Lösungen auch bei höheren Konzentrationen nicht zu zäh geraten und die Batterie pro Liter Flüssigkeit noch mehr Energie speichern kann.