Bordipyrromethene und weitere metallfreie Verbindungen für nicht-wässrige Redox-Flow-Batterien

Im Zuge der Energiewende am Strommarkt steigt der Bedarf an kostengünstigen und umweltschonenden großen Stromspeichern. Dafür kommen unter anderem Redox-Flow-Batterien (RFBs) in Frage. In den letzten Jahren wurden zunehmend metallfreie Verbindungen auf ihre Eignung als redoxaktive Spezies in RFB hin untersucht. Dieser Ansatz verspricht Flexibilität, Umweltentlastung und geringere Kosten. In Verbindung mit nicht-wässrigen Lösungsmitteln sind zusätzlich deutlich höhere Zellspannungen als bislang möglich. Mit den Möglichkeiten, welche die Strukturvielfalt molekularer Verbindungen bietet, gehen jedoch neue Herausforderungen einher, beispielsweise Nebenreaktionen. Redoxaktive Verbindungen und dazu passende Elektroden, Grundelektrolyte und Membranen zu finden, die alle genannten Eigenschaften vereinen ist ein anspruchsvolle Aufgabe. Bislang wurden die Fortschritte auf diesem Gebiet vor allem unter Aufgabe des Konzepts der symmetrischen Batterie erzielt. Diese Arbeit zielt auf die Untersuchung metallfreier Verbindungen als redoxaktive Spezies in nicht-wässrigen RFBs ab. Allen voran wurde ein Bordipyrromethen-Derivat (BODIPY) untersucht, dessen Potentiale für die Reduktion und Oxidation um mehr als 2 Volt getrennt sind, was diese Verbindung zu einem vielversprechenden Kandidaten für eine symmetrische Redox-Flow-Batterie mit hoher Zellspannung macht. Zusätzliche Experimente bestätigten die Stabilität des Radikalanions, wiesen bei der Radikalkationenbildung aber Nebenreaktionen nach, deren Produkte identifiziert wurden. In geringerem Umfang wurden weitere Bordipyrromethene, Anthrachinon, N,N,N,N-Tetramethylphenylendiamin, 5,10-Dihydro-5,10-dimethylphenazin und Triiodid charakterisiert. Als einzige der untersuchten Verbindungen eignete sich Triiodid als aktive Spezies einer symmetrischen Redox-Flow-Batterie. Zusätzlich zu den Redoxelektrolyten widmet sich die Dissertation der Auswahl geeigneter Zellen, Membranen, und Grundelektrolyte für Untersuchung und Betrieb nicht-wässriger RFBs im Labormaßstab. Die Arbeit enthält neue und überarbeitete Methoden und Hilfsmittel der Elektrochemie, welche als Exkurse hervorgehoben werden. Konkret sind dies (1) ein MATLAB®-Skript für weitgehend automatisierte Koutecký-Levich- und Tafel-Analysen, (2) ein kombiniertes Elektrolyse-Cyclovoltammetrie-Experiment für die schnelle Bestimmung der chemischen Reversibilität und (3) ein chronoamperometrisches Experiment zur Bestimmung der elektrochemisch aktiven Fläche einer Elektrode.