Elektrochemische Energiespeicherung

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In Deutschland stehen die Energiewende und damit die Umstellung der Stromerzeugung von vorwiegend fossilen und nuklearen auf perspektivisch ausschließlich erneuerbare Quellen an. Da die von Photovoltaik und Windturbinen eingespeiste Leistung von den Umgebungsbedingungen und nicht vom aktuellen Bedarf abhängt, sind Speicher unerlässlich, um Angebot und Nachfrage auszugleichen. Da es um sehr große Strommengen geht, müssen die Speicher preiswert sein.

Flüssigmetall-Batterien können ein Beitrag zur Lösung des Problems sein. Es handelt sich dabei um Hochtemperatur-Systeme, deren gesamter Inhalt flüssig ist. Durch ihre unterschiedlichen Dichten ordnen sich die aus geschmolzenen Metallen bestehenden Elektroden und die als Elektrolyt dienende Salzschmelze ohne weiteres Zutun so in Schichten an, dass eine funktionsfähige Batterie entsteht. Auf diese Art lassen sich mit verhältnismäßig geringen Kosten große elektrochemische Speicher bauen.

Durch den starken Strom, der beim Laden und Entladen durch die Batterien fließt, kann der flüssige Batterieinhalt jedoch in Bewegung geraten, was die stabile Schichtung stört. Im ungünstigen Fall entsteht ein direkter Kontakt der Elektroden, der zum Versagen der Batterie führt. Das muss unbedingt vermieden werden.

Die Forschung am HZDR gilt vor allem dem Verständnis und der Verhinderung solcher stromgetriebener Instabilitäten. Dafür experimentieren die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in ihrem Batterielabor an Flüssigmetallen und Salzschmelzen und führen rechenintensive Simulationen durch.

Forschungsaktivitäten zum Betrieb der Zellen, zum Scale-Up und zur Integration ins Energiesystem erfolgen im Rahmen der gemeinsamen Initiative Energiesystem 2050, einem Netzwerk aus acht Helmholtz-Zentren mit dem Ziel, verwertbare systemtechnische Erkenntnisse und technologische Lösungen zu erarbeiten, die Politik und Wirtschaft aufgreifen können.

Ziele

• Strömungen in heißen Metall- und Salzschmelzen messen, simulieren und beeinflussen
• Stromgetriebene Instabilitäten verstehen und beherrschen
• Zur Konstruktion großtechnischer Flüssigmetallbatterien beitragen

Pressemitteilungen

• Grüner Wasserstoff: For­schung für mehr Effizienz
• Sonnenwende: Grüne Industrie durch flüssiges Metall
• Internationales Team ­verbessert Wirkungs­grad von Flüssigmetallbatterien
• Unedel und doch gediegen: Neuartiger Katalysator ­verhilft Zink-Luft-Batterie zu Rekord-Leis­tungs­dichte

Beteiligte HZDR-Institute

• Institut für Fluiddynamik

Kooperationspartner

• TU Ilmenau
• Coventry Uni­versity, UK
• LIMSI, FR
• Uni­versity of Rochester, USA

Ansprechpartner

• Dr. Tom Weier

Publikationen

• Horstmann, G. M.; Nezihovski, Y.; Gundrum, T. u. a.
  Generation of interfacial waves by rotating magnetic fields
  Physical Review Fluids 9(2024)5, 054801 (10.1103/PhysRevFluids.9.054801)
• Kumar, S.; Ding, W.; Hoffmann, R. u. a.
  AlCl3-NaCl-ZnCl2 Secondary Electrolyte in Next-Generation ZEBRA (Na-ZnCl2) battery
  Batteries 9(2023)8, 401 (10.3390/batteries9080401)
• Godinez-Brizuela, O. E.; Duczek, C.; Weber, N. u. a.
  A continuous multiphase model for liquid metal batteries
  Journal of Energy Storage 73(2023)D, 109147 (10.1016/j.est.2023.109147)
• Gelfgat, A. Y.; Horstmann, G. M.
  Electrocapillary, thermocapillary, and buoyancy convection driven flows in the Melcher–Taylor experimental setup
  Physical Review Fluids 9(2024), 044101 (10.1103/PhysRevFluids.9.044101)
• Herreman, W.; Wierzchalek, L.; Horstmann, G. M. u. a.
  Stability theory for metal pad roll in cylindrical liquid metal batteries
  Journal of Fluid Mechanics 962(2023)A6 (10.1017/jfm.2023.238)
• Lee, J.; Monrrabal Marquez, G.; Sarma, M. u. a.
  Membrane-free alkali metal - iodide battery with a molten salt
  Energy Technology 11(2023)7, 2300051 (10.1002/ente.202300051)
• Weber, N.; Knüpfer, L.; Beale, S. B. u. a.
  Open-source computational model for polymer electrolyte fuel cells
  OpenFOAM Journal 2(2023), 26-48 (10.51560/ofj.v3.50)
• Weber, N.; Nimtz, M.; Personnettaz, P. u. a.
  Numerical simulation of mass transfer enhancement in liquid metal batteries by means of electro-vortex flow
  Journal of Power Sources Advances 1(2020), 100004 (10.1016/j.powera.2020.100004)
• Personnettaz, P.; Landgraf, S.; Nimtz, M. u. a.
  Mass transport induced asymmetry in charge/discharge behavior of liquid metal batteries
  Electrochemistry Communications 105(2019), 106496 (10.1016/j.elecom.2019.106496)
• Horstmann, G. M.; Herreman, W.; Weier, T.
  Linear damped interfacial wave theory for an orbitally shaken upright circular cylinder
  Journal of Fluid Mechanics 891(2020), A22 (10.1017/jfm.2020.163)
• Weber, N.; Landgraf, S.; Mushtaq, K. u. a.
  Modeling discontinuous potential distributions using the finite volume method, and application to liquid metal batteries
  Electrochimica Acta 318(2019), 857-864 (10.1016/j.electacta.2019.06.085)
• Personnettaz, P.; Beckstein, P.; Landgraf, S. u. a.
  Thermally driven convection in Li||Bi liquid metal batteries
  Journal of Power Sources 401(2018), 362-374 (10.1016/j.jpowsour.2018.08.069)
• Ashour, R.; Kelley, D.; Salas, A. u. a.
  Competing forces in liquid metal electrodes and batteries
  Journal of Power Sources 378(2018), 301-310 (10.1016/j.jpowsour.2017.12.042)
• Horstmann, G. M.; Weber, N.; Weier, T.
  Coupling and stability of interfacial waves in liquid metal batteries
  Journal of Fluid Mechanics 845(2018), 1-35 (10.1017/jfm.2018.223)
• Weber, N.; Beckstein, P.; Herreman, W. u. a.
  Sloshing instability and electrolyte layer rupture in liquid metal batteries
  Physics of Fluids 29(2017)5, 054101 (10.1063/1.4982900)

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