Nachhaltige Revolution: Wie Abfallstoffe Redox-Flow-Batterien effizienter machen

Redox-Flow-Batterien aus Industrieabfällen – Ein nachhaltiger Durchbruch

Industrielle Abfälle gelten oft als wertlos und landen in der Regel auf Deponien oder müssen aufwendig entsorgt werden. Ein Forschungsteam der Northwestern University im US-Bundesstaat Illinois beweist nun das Gegenteil: Es gelang ihnen, das bislang unbrauchbare Molekül Triphenylphosphinoxid (TPPO) in einen effizienten Redox-Flow-Energiespeicher zu verwandeln. Diese Entwicklung könnte ein wichtiger Schritt sein, um kostengünstige und umweltfreundliche Batteriesysteme in großem Maßstab zu etablieren.

1. Aus Abfall wird Energie

Weltweit fallen jedes Jahr immense Mengen an organischen Industrieabfällen an, so auch bei der Herstellung von Vitaminen. Ein großer Teil dieser Rückstände wird bislang entsorgt, weil es keine wirtschaftlich sinnvolle Weiterverwendung gibt. Das Molekül TPPO bildet hier keine Ausnahme – bisher hatte es im industriellen Kreislauf keinen praktischen Nutzen und stellte vor allem ein Entsorgungsproblem dar.

Die Forschenden um den Chemiker Christian Malapit und seine Kolleginnen und Kollegen haben jedoch einen Weg gefunden, TPPO mithilfe einer einfachen chemischen Umwandlung – einer sogenannten „Eintopfreaktion“ – in ein energiespeicherndes Molekül zu transformieren. Das heißt: Anstatt das Material zu entsorgen, wird es gezielt „aufgepeppt“, sodass es in einer Redox-Flow-Batterie nutzbar ist.

2. Redox-Flow versus Lithium-Ionen

Anders als bei Lithium-Ionen-Akkus, die Energie in fest verbauten Elektroden speichern, setzen Redox-Flow-Batterien auf zwei flüssige Elektrolyte in separaten Tanks. Diese Flüssigkeiten werden beim Laden und Entladen durch eine spezielle Kammer (Brennstoffzelle) gepumpt, wo die eigentlichen Redox-Reaktionen ablaufen. Das birgt verschiedene Vorteile:

• Einfachere Kapazitätserweiterung: Braucht man mehr Speicherplatz, vergrößert man lediglich die Tanks.
• Gerine Brandgefahr: Da überwiegend Flüssigkeiten zum Einsatz kommen, ist das Risiko thermischer Ereignisse geringer als bei Lithium-Systemen.
• Weniger Materialknappheit: Redox-Flow-Batterien benötigen in der Regel keine seltenen Metalle wie Kobalt oder Lithium.

Doch es gibt auch Nachteile: Redox-Flow-Systeme sind häufig teurer in der Anschaffung und haben eine etwas geringere Energiedichte als ihre Lithium-basierten Pendants. Genau hier kommt der aktuelle Forschungsdurchbruch ins Spiel, denn er zeigt, dass man womöglich kostengünstige Ausgangsstoffe wie TPPO nutzen kann, um die Leistung zu steigern und die Produktionskosten zu senken.

3. Molekulare Feinarbeit für bessere Stabilität

Eine große Herausforderung bei der Entwicklung organischer Redox-Flow-Batterien besteht darin, die Energiedichte zu erhöhen, ohne dabei die Stabilität der eingesetzten Moleküle zu gefährden. Das Team in Illinois ging dieser Fragestellung mit einem „molekulartechnischen Ansatz“ nach:

Historische Inspiration
Ein Artikel aus dem Jahr 1968, in dem die Elektrochemie von Phosphinoxiden untersucht wurde, gab den Anstoß für den heutigen Durchbruch. Die Forschenden erkannten darin eine mögliche Strategie, um TPPO zu stabilisieren und seine elektronenaufnehmende Fähigkeit optimal zu nutzen.

Ausführliche Tests
In mehreren Lade- und Entladeexperimenten, die 350 Zyklen umfassten, zeigte das neu modifizierte Molekül kaum einen Kapazitätsverlust. Das bedeutet, dass es sich wiederholt aufladen lässt, ohne erhebliche Einbußen bei der Leistungsfähigkeit.

Hohe Energiedichte
Durch die verbesserte Dichte der Ladungsträger nähert sich die neue Redox-Flow-Batterie den metallbasierten Alternativen an – und übertrifft damit oftmals die Leistungsdaten herkömmlicher organischer Systeme.

4. Perspektiven für Großspeicher und Industrie

Die Stabilität und vergleichsweise hohe Energiedichte machen Redox-Flow-Batterien zu einem spannenden Kandidaten für Netzspeicher im großen Maßstab. Schätzungen zufolge wächst der Markt für Redox-Flow-Technologie weltweit um rund 15 Prozent pro Jahr und könnte bis 2030 einen Wert von 700 Millionen Euro erreichen. Mit einer nachhaltigen und kosteneffizienten Lösung wie der neuen TPPO-basierten Batterie ließen sich folgende Bereiche abdecken:

• Energiespeicherung aus Solaranlagen: Puffer für überschüssigen Solarstrom, der bei Bedarf ins Netz eingespeist wird.
• Windparks: Ausgleich von Leistungsschwankungen an windreichen oder -armen Tagen.
• Industrielle Fertigung: Günstige und zuverlässige Energiespeicherung für Produktionsanlagen.

Obwohl sich das Verfahren noch in einer Entwicklungsphase befindet, zeigt das Projekt eindrucksvoll, wie chemisches Know-how und Kreislaufwirtschaft zusammenfinden können. Indem man Abfallprodukte aufwertet, spart man sowohl Ressourcen als auch Kosten, ohne bei der Leistung Abstriche machen zu müssen.

5. Fazit: Ein Schritt in Richtung ressourcenschonende Batteriezukunft

Die Forschenden an der Northwestern University liefern einen wichtigen Beweis dafür, dass sich aus vermeintlichem Industriemüll wie TPPO leistungsstarke Energiespeicher herstellen lassen. Dieser Ansatz verdeutlicht das enorme Potenzial, das in der Kreislaufwirtschaft liegt: Abfälle werden nicht nur entsorgt, sondern wertschöpfend umgewandelt.

Sollte es gelingen, diesen Prozess in den industriellen Maßstab zu überführen, könnte das die Energiebranche maßgeblich verändern. Redox-Flow-Batterien aus Abfallstoffen wären eine zukunftsträchtige Option, um den steigenden Bedarf an klimafreundlichen Großspeichern zu decken und die Energiewende weiter voranzutreiben.