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Dr. Tom Weier

Lei­ter Flüssigmetallbatterie
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Flüssigmetallbatterien

Foto: Forschungsgruppe Flüssigmetallbatterien ©Copyright: Dr. Michael Nimtz

Forschungsgruppe Flüssigmetallbatterien

Bild: Dr. Nimtz, Michael

Zur Gewährleitung der Netzstabilität und der Versorgungssicherung bei steigenden Anteilen an erneuerbaren Energien im deutschen Energiesystem werden stationäre Großspeicher immer wichtiger. Dabei spielen sowohl die spezifischen leistungs- und energiebezogenen Kosten als auch das Alterungsverhalten der Speicher eine wesentliche Rolle bei der Entscheidung für oder gegen eine bestimmte Technologie.

Flüssigmetallbatterien, d.h. Batterien, bei denen sowohl beide Elektroden als auch der Elektrolyt im flüssigen Zustand vorliegen, stellen ein vielversprechendes Konzept dar. Die Nutzung billiger, gut verfügbarer Rohstoffe als Aktivmaterialien in großen Batteriezellen führt zu einer  Kostenreduktion. Flüssigmetallbatterien stellen damit eine konkurrenzfähige Option für Großspeicher dar.

Mit ihrem komplett flüssigem Inventar haben Flüssigmetallbatterien gegenüber konventionellen Zellen eine Reihe von Vorteilen: Bei entsprechender Auswahl der Flüssigkeiten ergibt sich eine stabile Schichtung aufgrund der Dichten - die Zelle baut sich quasi von selbst auf. Vorgänge an flüssig-flüssig Grenzschichten weisen eine rasche Kinetik auf, besonders bei hohen Temperaturen. Dies ermöglicht starke Lade- und Entladeströme ohne große Wirkungsgradverluste. Da die Elektroden flüssig sind und deswegen keine bleibende Struktur ausbilden, treten auch keine damit verbundenen Alterungseffekte auf, wie sie in Festkörpern durch das Ein- und Auslagern von z. B. Li-Ionen entstehen. Die mit Flüssigmetallbatterien erreichbaren Zyklenzahlen sollten deshalb vergleichsweise hoch sein.

Durch die hohen Stromdichten und die angestrebten großen Zellquerschnitte können pro Zelle sehr starke Ströme entstehen. An dieser Stelle kommen elektromagnetische Felder und Strömungsmechanik - sprich die Magnetohydrodynamik - ins Spiel. Durch Lorentzkräfte, hervorgerufen durch das Zusammenwirken des starken Zellstromes mit seinem eigenen Magnetfeld, ist in sehr großen Zellen die Anredung der Tayler-Instabilität (TI), wie sie von Seilmayer et al. (2012) demonstriert wurde, möglich. In kleineren Zellen können elektromagnetische Kräfte sogenannte  Elektrowirbelströmungen treiben und Grenzflächenwellen anregen. Diese Wellen entstehen typischerweise an beiden Grenzflächen des Dreischichtsystems. Ihre Interaktion wird vom Verhältnis der Dichtesprünge an den Grenzflächen bestimmt und kann, wie auch die beiden vorgenannten Phänomene, im Extremfall zum Kurzschluss führen. Für einen sicheren Betrieb der Batterien muss ein solcher Zustand natürlich ausgeschlossen werden.  Andererseits sind milde Strömungen besonders in der Kathode und im Elektrolyten förderlich für den Stofftransport und damit für die Effizienz der Zellen. 

Wir untersuchen die Strömungsphänomene und Instabilitäten experimentell und numerisch im Zusammenhang mit elektrochemischen Vorgängen um das Betriebsverhalten der Zellen zu optimieren. 

In unserem Batterielabor sind wir in der Lage, flüssige Elektroden und die als Ionenleiter fungierenden Salzschmelzen elektrochemisch zu untersuchen sowie kleine Zellen zu fertigen und zu testen. Für die Skalierung der Zellen, zur Verbesserung der Wirkungsgrade und zur Gewährleistung der Langzeitstabilität sind Versuche mit verschiedenen Materialien für die Gehäuse und Isolatoren der Zellen notwendig. 

2017 wurde von uns der erste Workshop zur Fluiddynamik von Flüssigmetallbatterien (LMBFD 2017) organisiert und am 16. und 17. Mai in Dresden durchgeführt. Der Schwerpunkt des Workshops lag in der Fluiddynamik von Flüssigmetallbatterien und ähnlichen Anlagen (z. B. Aluminiumreduktionszellen). Einen  zweiten Workshop zur Strömungsmechanik von Flüssigmetallbatterien organisierten wir im November 2022 im Rahmen von SOLSTICE zusammen mit dem Isaac Newton Institute (INI) in Cambridge. Die Vorträge stehen zum Nachhören auf Youtube zur Verfügung.

Forschungsthemen und Experimente

Foto: Batterielabor mit Glovebox ©Copyright: Dr. Michael Nimtz

Batterielabor

In unserem Batterielabor sind wir in der Lage, Flüssigmetallelektroden und elektrolytische Salzschmelzen elektrochemisch zu untersuchen.
Für die Experimente werden kleine Zellen gefertigt und unter Argonatmosphäre in der Glovebox getestet.
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Foto: TI Aspektverhältnis ©Copyright: Dr. Norbert Weber

Instabilitäten in Flüssigmetallbatterien

Fluidströmungen in Flüssigmetallbatterien beeinflussen deren Wirkungs­grad, aber auch deren sicheren Betrieb entscheidend.
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Foto: Glovebox Batterielabor ©Copyright: ©Michael Nimtz

Experimente mit Flüssigmetallbatteriezellen

Im Batterielabor werden Experimente mit ­verschiedenen Zelltypen und Zellchemien durchgeführt. Erfasst werden Aktivitäten, Wirkungs­grade und korrosive Eigen­schaften.
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Foto: Lithium-Flüssigmetall-Elektrode ©Copyright: ©Steffen Landgraf, Michael Nimtz

Energiespeiche­rung und -wand­lung mit Flüssigmetallen

Flüssigmetalle bieten beim Einsatz in Energiespeichern und bei der Energieumwand­lung eine Reihe von Vorteilen: kostengünstige Herstel­lungs­verfahren, hohe Zyklenzahlen und gute Skalierbar­keit.
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Foto: Flüssigmetallbatterie Stromverteilung ©Copyright: Dr. Norbert Weber

Stofftransport in Flüssigmetallbatterien

Stofftransport bestimmt die Zellspannung von Flüssigmetallbatterien in erheblichem Maße.
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Foto: Na-Bi Flüssigmetallbatterie ©Copyright: Steffen Landgraf

Modellie­rung von Salzschmelzen-Elektrolyten

Stofftransport im Elektrolyten bestimmt den Wirkungs­grad von Flüssigmetallbatterien.
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Foto: Zelldesigns für Flüssigmetallbatterien ©Copyright: Dr. Martins Sarma

Batterie-Design und Ausle­gung

Ein optimiertes Zelldesign ist entscheidend für eine lange Lebensdauer einer Flüssigmetallbatterie.
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Foto: Flüssigmetallbatteriegehäuse bei Betriebstemperatur (Ausschnitt) ©Copyright: Dr. Martins Sarma

Stoffdatensamm­lung Flüssigmetalle und Salzschmelzen

Verlässliche Stoffdatensätze für Flüssigmetalle und Salzschmelzen sind Voraussetzung für viele Experimente und numerische Untersuchungen auf diesem Gebiet. Eine aktuell gehaltene und frei ­verfügbare Datenbank soll die Beschaffung thermophysikalischen Stoffdaten erleichtern.
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Foto: korrodiertes Zellgehäuse ©Copyright: Dr. Martins Sarma

Korrosion

Korrosion wird insbesondere in Salzschmelzen untersucht. Dazu werden elektrochemische Verfahren, ICP-MS und di­verse Mikroskope genutzt.
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Foto: Röntgen-Aufnahme einer Flüssigmetallbatterie ©Copyright: Dr. Martins Sarma

Bildge­bung von Flüssigmetallbatterien

Neu­tronen­ und Röntgenstrahlen werden zur Bildge­bung von Flüssigmetallbatterien ­verwendet. Zellen werden im Betrieb bei über 600°C durchleuchtet.
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Foto: Batterie-Modul ©Copyright: Martin Herzberg

Entwick­lung von Batterie-Systemen

Größere Batterien müssen ausreichend isoliert werden um einen hohen Wirkungs­grad zu erreichen. Gleichzeitig darf die Isolierschicht nicht zu dick sein, da die Zellen sonst im Betrieb gekühlt werden müssen.
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Foto: EWS seitlich ©Copyright: Dr. Norbert Weber

Numerische Simulation von Flüssigmetallbatterien

Numerische Simulation erlaubt eine schnelle und kostengünstige Untersuchung des Betriebs­verhaltens von Flüssigmetallbatterien.
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Foto: Logo SOLSTICE ©Copyright: HZDR / Blaurock

Projekte der For­schungs­gruppe Flüssigmetallbatterie

Die For­schungs­gruppe Flüssigmetallbatterie bearbeitet eine Reihe von Dritt­mittel­projekten im Bereich Hochtemperatur-Elektrochemie und Fluiddynamik.
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