Flüssigmetallbatterien
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
Batterielabor
Für die Experimente werden kleine Zellen gefertigt und unter Argonatmosphäre in der Glovebox getestet.