Redox-Flow Batterien

1. Fachspezifische Vorgaben

Zunächst werden einleitend einige wichtige Eigenschaften der Redox-Flow-Batterien vorgestellt. Diese Batterien werden vor allem als Energiespeicher für Photovoltaik- oder Windkraft-Anlagen eingesetzt. Da die bisherigen Systeme nicht sehr umweltfreundlich sind, ist man dabei, bessere Batterien zu entwickeln, die nicht auf Blei oder Lithium basieren, sondern auf Eisen.

Die Grundidee bei dieser Eisen-Redox-Flow-Batterie ist die Tatsache, dass vom Element Eisen sowohl Fe²⁺ wie auch Fe³⁺-Ionen existieren. Da die Redoxpaare

Fe / Fe²⁺ + 2e^- (E⁰ = -0,44 V)

Fe²⁺/Fe³⁺ + e^- (E⁰ = +0,77 V)

unterschiedliche Standardpotenziale E⁰ haben, kann man eine entsprechende Batterie konstruieren.

Ein Problem bei dieser Batterie ist die Bildung von Wasserstoffgas bei den Ladevorgängen.

M1: Versuch zur Ermittlung von E⁰ für Fe²⁺/Fe³⁺

Hier wird ein kleiner Versuch mit einem galvanischen Element vorgestellt, das aus einer Kupfer-Halbzelle Cu/Cu²⁺ und einer Eisen-Halbzelle Fe²⁺/Fe³⁺ besteht. Unter Standardbedingungen wird eine Spannung von 0,40 V gemessen.

M2: Forschungsbericht über eine Eisen-Eisen-Redox-Flow-Batterie

In einer Abbildung sieht man das Schema einer Fe/Fe-RFB. Hier eine ähnliche Abbildung, die auf einer Zeichnung aus der Masterarbeit von Irina Heitmann basiert:

Schema einer Eisen-Eisen-Redox-Flow-Batterie
Autor: Ulrich Helmich 05/2025, Lizenz: Public domain

Dieses Bild zeigt das Schema einer solchen Eisen-Eisen-Redox-Flow-Batterie. Links sehen wir den negativen Elektrolyten-Tank, rechts den positiven.

Der negative Tank liefert die Fe²⁺-Ionen, die beim Aufladen zu Eisen Fe reduziert werden. Der positive Tank liefert ebenfalls Fe²⁺-Ionen, die beim Aufladen zu Fe³⁺ oxidiert werden.

Beim Entladen finden die Umkehrreaktionen statt, Eisen-Atome werden zu Fe²⁺-Ionen oxidiert und liefern dabei die Elektronen, Fe³⁺-Ionen werden zu Fe²⁺-Ionen reduziert und nehmen die Elektronen wieder auf.

In dem Material M2 werden die hier genannten Redoxreaktionen jedoch nicht genannt oder erläutert, dies ist Aufgabe der Schüler(innen).

Erwähnt wird in dem Material aber, dass bei jedem Ladevorgang die Batterie mit einer Ladung von Q = 3.600 C geladen wird. Beim ersten Entladen kann eine Ladung von Q = 2.268 C entnommen werden, beim zweiten und dritten Entladevorgang jeweils Q = 3.240 C.

Zusatzinformationen

1. Das Faraday-Gesetz: Q = I * t = n * z * F
2. Die Faraday-Konstante: F = 96.485 As/mol, 1 As = 1 C
3. Molare Massen: M(Fe) = 55,85 g/mol
4. Tabelle: Standardpotenziale für Fe/Fe²⁺, H₂ + 2 H₂O/2 H₃O⁺, Cu/Cu²⁺, Fe²⁺/Fe³⁺

Zusatzinformationen für die LK-Aufgabe

Die gleichen Informationen 1-4 wie bei der GK-Aufgabe, zusätzlich noch die Nernst-Gleichung.

2. Aufgabenstellung Grundkurs

Aufgabe 1

1. Das galvanische Element, mit dem man das Standardpotenzial von Fe²⁺/Fe³⁺ ermitteln kann, soll skizziert und beschriftet werden.
2. Der Kupfer- und der Platin-Elektrode sollen die Begriffe Anode und Kathode zugeordnet werden.
3. Die gemessene Spannung (also 0,4 V) soll mit dem in der Tabelle angegebenem Wert (also 0,77 V) verglichen werden.

Aufgabe 2

1. Der Aufbau der Eisen-Eisen-Redox-Flow-Batterie soll beschrieben werden.
2. Die Vor- und Nachteile gegenüber einem klassischen galvanischen Element sollen herausgearbeitet werden (es soll nur je 1 Vorteil und 1 Nachteil genannt werden).
3. Die Prozesse an den Elektroden während des Ladens und Entladens sollen erläutert werden, natürlich unter Angabe der Redoxgleichungen.

Aufgabe 3

1. Hier soll berechnet werden (Faraday-Gesetz), welche Masse Eisen sich beim im Material beschriebenen Ladevorgang abscheidet.
2. Der deutliche Unterschied zwischen der Ladung C, die beim Laden eingesetzt wird, und der Ladung C, die beim ersten Entladen entnommen werden kann, soll begründet werden.
3. Die Messwerte der Ladungen beim zweiten und dritten Entladevorgang sollen interpretiert werden, dabei soll auch berücksichtigt werden, dass sich beim Laden der Batterie Wasserstoffgas bildet, was aber vermieden werden soll.

3. Leistungskurs-Version

Die LK-Version der Aufgabe ist etwas umfangreicher als die GK-Version.

Materialien

M1: Vorversuch zur Ermittlung des Reaktionsverhaltens von Fe³⁺-Ionen gegenüber Kupfer

Versuch 1: In eine FeCl₃-Lösung werden ein paar Tropfen einer Lösung von rotem Blutlaugensalz gegeben. Ergebnis: keine Blaufärbung.

Versuch 2: In eine FeCl₃-Lösung wird ein Kupferblech gestellt, dieses wird ab und zu in der Lösung bewegt. Dann gibt man ein paar Tropfen der Blutlaugensalz-Lösung in die FeCl₃-Lösung. Ergebnis: intensive Blaufärbung.

Wenn man das Kupferblech vor und nach dem Versuch 2 genau wiegt, kann man nach dem Versuch 2 eine Massenabnahme feststellen.

M2: Versuch zur Ermittlung von E⁰ für Fe²⁺/Fe³⁺

Hier wird ein kleiner Versuch mit einem galvanischen Element vorgestellt, das aus einer Kupfer-Halbzelle Cu/Cu²⁺ und einer Eisen-Halbzelle Fe²⁺/Fe³⁺ besteht. In der Eisenhalbzelle ist die Konzentration c(Fe³⁺) 1000 mal so groß wie c(Fe²⁺). Man kann eine Spannung von 0,62 V messen.

M3: identisch mit M2 aus der GK-Version

Aufgabenstellung

Aufgabe 1

1. Die Massenabnahme des Kupferblechs soll erläutert werden.
2. Die Farbveränderung der Lösung im Vorversuch 2 soll erklärt werden.
3. Die Beobachtungen der Vorversuche sollen erklärt werden.

Aufgabe 2, 3 und 4: Identisch mit Aufgaben 1-3 der GK-Version