Flüssigmetallbatterien als preiswerte stationäre Speicher - Strömungsmechanische Aspekte

Flüssigmetallbatterien, d.h. elektrochemische Hochtemperaturbatterien mit vollständig flüssigem Inventar, werden derzeit als preiswerte Regelenergiespeicher diskutiert. Das ursprünglich auf kleinere Zellen als Bestandteil thermisch regenerierbarer Systeme gerichtete Konzept soll auf Zellen mit Grundflächen im Quadratmeterbereich übertragen werden.

Eine elektrochemische Zelle mit vollständig flüssigem Inventar hat eine Reihe von Vorteilen: bei gut abgestimmten Dichten von Elektrolyt und aktiven Materialien ist die Batterie selbstassemblierend, eine stabile Dichteschichtung bildet sich aus. Die strukturlosen (flüssigen) Elektroden sind für Alterungserscheinungen unanfällig, versprechen somit gute Zyklierbarkeit, die Kinetik an den flüssig-flüssig Phasengrenzen und die Diffusionsprozesse sind vergleichsweise schnell, was hohe Stromdichten ermöglicht. Als aktive Materialien können breit und ökonomisch verfügbare Ausgangsstoffe eingesetzt werden. Natrium-Schwefel und Natrium-Nickelchlorid Zellen teilen eine Reihe der obengenannten Vorteile, erfordern wegen der komplexen Konstruktion jedoch ein beträchtliches Investitionsvolumen. Die Ausnutzung positiver Skaleneffekte ist ein wichtiges Mittel zur Kostensenkung und die einfache Skalierbarkeit eine der grundlegenden Annahmen bei der Entwicklung von Flüssigmetallbatterien.

Hohe Stromdichten und große Phasengrenzflächen resultieren jedoch in erheblichen Zellströmen. Diese generieren Magnetfelder und mithin beträchtliche elektromagnetische Kräfte. Das flüssige Inventar der Zelle kann auf diese elektromagnetischen Einwirkungen mit Instabilitäten reagieren. Eine dieser Instabilitäten ist die Tayler-Instabilität. Sie führt zu einer starken Strömung im Zellvolumen, die in der Lage ist, die Dichteschichtung zu destabilisieren. In der Folge käme es zu einem Direktkontakt der Elektroden und einem Versagen der Zelle. Der Tayler-Instabilität lässt sich durch konstruktive Maßnahmen begegnen, die in der Lage sind, die gewünschte Skalierbarkeit zu gewährleisten. Sie werden im Vortrag diskutiert.