Redox-Flow-Batterien (RFB) stellen eine vielversprechende Batterietechnologie dar. Im Gegensatz zu vielen anderen Batteriesystemen, können bei RFB die Leistung (d.h. wie schnell die Batterie geladen werden kann) und Kapazität (d.h. wie viel Energie die Batterie speichern kann) unabhängig voneinander verändert werden. RFB sind besonders als Speicher für erneuerbare Energien interessant. Kommerziell erhältliche RFB verwenden normalerweise anorganische Vanadiumsalze, die in konzentrierter Schwefelsäure gelöste sind.
Im Rahmen von HIPOLE Jena werden organische Elektrolyte auf Basis von Polymeren untersucht, also Kunststoffen, die den Einsatz von kritischen Metallen/Metallionen in den Elektrolyten überflüssig machen. Es sind jedoch noch einige Herausforderungen zu bewältigen, bevor polymerbasierte RFB eine größere Rolle spielen können: Die Materialien, mit denen diese Batterien funktionieren, sind oft nicht so stabil und können weniger Energie speichern anorganische Materialien. Um die Eigenschaften der Materialien und die Elektrochemie besser zu verstehen, ist eine enge Zusammenarbeit zwischen Forscher*innen unterschiedlicher Disziplinen sowie der Einsatz fortschrittlicher Untersuchungsmethoden erforderlich.
HIPOLE Jena möchte neue und fortschrittliche Wege finden, um die nächste Generation von Energiespeichern im Netzmaßstab zu entwickeln. Dazu führt es die jahrelange Erfahrung der FSU Jena im Polymerdesign und in der Polymersynthese sowie modernste Untersuchungsmöglichkeiten auf molekularer Ebene am HZB zusammen.
Das molekulare Design dieser polymerbasierten Materialien erlaubt Aufnahme, Speicherung und Abgabe von Elektronen. Neben dieser „Funktionalität“ sind Löslichkeit, molare Masse als auch molekulare Struktur von entscheidender Bedeutung. Neben dem Arsenal moderner synthetischer Methoden zum Design dieser Materialien sollen bisher unbekannte Struktur-Eigenschaftsbeziehungen in Lösung quantitativ untersucht werden. Das sollen insbesondere einzigartige molekularhydrodynamische Methoden wie die (molekulare) Viskosimetrie und die analytischen Ultrazentrifugation ermöglichen.
Diese Methoden erlauben eine absolute Bestimmung der molaren Masse, der Diffusionskoeffizienten und hydrodynamischer Volumina. Zusammen mit der Densimetrie erlaubt sie den Forschenden eine quantitative Untersuchung polymerer Strukturen auf molekularer Ebene aber auch die Untersuchung globaler Elektrolyteigenschaften, was sie für die technologische Implementierung wichtig macht. Das Verständnis vom Einfluss der molekularen Zusammensetzung, der Konformation und Architektur der Materialien im geladenen als auch entladenen Zustand, unter Berücksichtigung ihrer Stabilität, ermöglicht ein gezieltes Design neuer Materialien. Der Einsatz synchrotronbasierter Streumethoden soll einen komplementären Einblick in die molekulare Struktur der Materialien liefern. Eine direkte Korrelation mit der endgültigen Batterieperformance soll die RFB als realistische Energiespeicher für die Zukunft etablieren.