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Vanadium-Akkumulatoren Mit neuen Vanadium-Akkumulatoren zur Energiewende

Autor / Redakteur: Wieland Hopfe*, Leos Benes** / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Um in Zukunft mobile Anwendungen ausreichend mit Energie versorgen zu können, bedarf es moderner Akkumulatoren. Der Vanadium-Redox-Akkumulator ist hier eine mögliche Lösung. Für die notwendige Forschung am Übergangsmetall Vanadium ist die Probenvorbereitung entscheidend.

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Abb.1: Gewalztes Vanadium nach der Zerkleinerung mit der Pulverisette 19 und 2 mm Sieb
Abb.1: Gewalztes Vanadium nach der Zerkleinerung mit der Pulverisette 19 und 2 mm Sieb
(Bild: Fritsch)

Die Energiedebatte bewegt die Gesellschaft. Alternative Energien sind aufgrund mangelnder Entwicklung leider nicht in breiter Masse umsetzbar. Ein kleiner Schritt in diese Richtung ist die Entwicklung neuartiger Vanadium-Akkumulatoren, welche unbegrenzte Wiederaufladungszyklen ohne Abnutzung ermöglichen. Jedoch setzt dies eine geeignete Aufbereitung dieses besonderen Metalls voraus.

Hierbei spielen die Schneidmühlen und Planetenkugelmühlen von Fritsch eine wichtige Rolle in der Forschung und Entwicklung. Diese ermöglichen die komplexe Zerkleinerung von zäh-metallischen Materialien wie Vanadium.

Vanadium – Metall mit vielen Vorteilen

Das erst im 18. Jahrhundert entdeckte Metall, das wegen seiner Elektronenkonfiguration als Übergangsmetall bezeichnet wird, wurde erstmals 100 Jahre später verarbeitet. Mit dem technologischen Fortschritt war es möglich, Vanadium so aufzubereiten, dass die Eigenschaften dieses Elements voll zur Geltung kamen. Durch Zusatz von zerkleinertem Vanadium konnten neue metallische Eigenschaften und Oberflächen entstehen. Unter anderem wird feines Vanadium neben Chrom, Nickel, Kobalt, Wolfram und anderen Metallen in einer ausgewogenen Mischung zur Legierung genutzt. Biochemische Prozesse tierischer Zellen z.B. nutzen Vanadium für ihren Stoffwechsel-Kreislauf, pflanzliche Zellen hingegen benötigen es um Photosynthese zur Energiegewinnung betreiben zu können [1].

Ein Akku in der Größe eines Zugwagons

Übliche Akkus werden durch jeden Auf-/Entladevorgang gestresst und somit nimmt die Kapazität der Vorgänge fortlaufend ab. Neuartige Vanadium-Redox-Durchflussbatterien [2] besitzen zwei Elektrolytentanks und können die Wechselwirkung der Vorgänge kompensieren. Aufgrund der Anordnung der Vanadiumionen ist der Raumbedarf jedoch viel höher als bei gewöhnlichen Akkus gleicher Kapazität.

Durch Zerkleinerung mit Schneidmühlen und die anschließende Feinstvermahlung, z.B. durch die Planetenmühlen „premium line“ von Fritsch wird mit zunehmender Feinheit die spezifische Oberfläche größer. Dies wirkt sich unmittelbar auf eine verbesserte Reaktivität aus. Die Planetenmühlen „premium line“ ermöglichen die Mahlung bis in den Nanobereich, und sind damit zur Entwicklung dieser neuen Batterietechnologie unverzichtbar.

Vanadium besitzt aufgrund seiner Stellung im Periodensystem der Elemente besondere Eigenschaften [3]:

  • nicht magnetisch,
  • elektrisch leitend (Supraleiter),
  • zäh und schmiedbar,
  • als Pulver leicht entzündlich und
  • es geht Reaktionen mit Nichtmetallen ein.

Zerkleinerung von Nichteisenmetallen ein Problem?

Fein genug ausgewalztes Material oder auch Zuschnitte aus anderen Fertigungsstufen können mit Schneidmühlen zu grobkörnigem Material oder auch zu Pulver zerkleinert werden.

Zur Zerkleinerung von Nichteisenmetallen erzielt man sehr gute Ergebnisse mit der Kraft-Schneidmühle Pulverisette 25. Sowohl zur Vorzerkleinerung, wenn das Ausgangsmaterial über 2 mm stark ist, als auch zur Grobzerkleinerung, wenn eine enge Kornverteilung größer als 2 mm Siebdurchgang oder eine Endfeinheit zwischen 2 bis 10 mm erzielt werden soll.

Anschließend ist eine weitere Feinzerkleinerung mit der Universal-Schneidmühle Pulverisette 19 zu feinerem Pulver problemlos möglich. Hervorragende Ergebnisse liegen z.B. auch für die Feinmahlung von Aluminium-Legierungen aus dem PKW-Motorenbau vor. Allerdings ist dann darauf zu achten, dass feine Metallpulver zur Selbstentzündung neigen. Im vorliegenden Fall wurde mit der gewählten Feinheit ein für die weitere Anwendung geeignetes Pulver erzeugt.

Die Energietrendwende mit effizienter Forschung begleiten

Um die Energietrendwende zügiger voranzutreiben, bedarf es konsequenter und nachhaltiger Forschung. Gleicher Grundsatz gilt für die Materialforschung, die Biochemie oder andere Gebiete in denen Vanadium zum Einsatz kommt. Dank der Labormühlen von Fritsch, die auf unterschiedlichen Zerkleinerungstechnologien basieren, ist jegliche Art der Probenaufbereitung im Labormaßstab möglich. Damit spielen sie eine wichtige Rolle bei der Entwicklung zukunftsweisender Technologien wie der Batterieforschung.

Literatur:

[1] Werkstoffkunde 17. Aufl., W. Weißbach, Vieweg Verlag

[2] http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/ae/Vanadium_battery.svg

[3] Chemie 10. Aufl., C. Mortimer und U. Müller, Thieme Verlag.

* W. Hopfe: Fritsch GmbH, 55743 Idar-Oberstein

* *L. Benes: Technische Hochschule Mittelhessen (THM), 35390 Gießen

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