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Dr. Tom Weier
Magnetohydrodynamics
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Flüssigmetallbatterien

Flüssigmetallbatterie: stabil und instabil

Zur Gewährleitung der Netzstabilität und der Versorgungssicherung bei steigenden Anteilen an erneuerbaren Energien im deutschen Energiesystem werden Großspeicher immer wichtiger. Dabei spielen sowohl die spezifischen leistungs- und energiebezogenen Kosten als auch die Langzeitperformance 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 ermöglicht die Nutzung von Skaleneffekten zur 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 Flüssigkeitsdichten, ergibt sich eine stabile Schichtung - die Zelle baut sich quasi von selbst auf. Vorgänge an flüssig-flüssig Grenzschichten weisen eine hohe Kinetik auf. Dies ermöglicht hohe Lade- und Entladeströme ohne große Wirkungsgradverluste. Da die Elektrodenstruktur der Flüssigkeiten immer wieder den Urzustand annimmt, treten dort keine Alterungseffekte auf, so dass eine nahezu unendliche Zyklenzahl erreicht werden kann.


Durch die hohen Stromdichten und die angestrebten hohen Zellquerschnitte können pro Zelle sehr hohe Ströme entstehen. An dieser Stelle kommen elektromagnetische Felder und Strömungsmechanik - sprich die Magnetohydrodynamik - ins Spiel. Lorentzkräfte, hervorgerufen durch das Zusammenwirken des hohen Zellstromes mit seinem eigenen Magnetfeld können die Tayler-Instabilität (TI) anregen, wie es von Seilmayer et al. (2012) demonstriert wurde.


Die durch die TI hervor gerufene rotierende Strömung kann zu einer Verdrängung des Elektrolyts (Salzschmelze) zwischen den Elektroden führen. Dieser Kurzschluss würde zu einem Ausfall der Batterie führen. Je nach den Aspektverhältnissen der Zellen können auch weitere Instabilitäten den Betrieb von Flüssigmetallbatterien stören, zum Beispiel Oberflächenwellen ähnlich dem Sloshing bei Aluminiumreduktionszellen.

Wir untersuchen diese Instabilitäten experimentell und numerisch und entwickeln Gegenmaßnahmen. Die Entstehung der TI kann verhindert werden, indem man der Zelle ein zusätzliches Magnetfeld aufprägt, das sich dem ursprünglichen Feld überlagert. Das Gesamtfeld lässt sich dann so gestalten, dass die Zelle nicht mehr für die TI anfällig ist.


Eine mögliche Quelle für das zusätzliche Magnetfeld findet man in dem Strom, der von oder zu der Zelle geleitet wird. Indem man diesen Strom beispielsweise isoliert durch die vertikale Zellachse leitet, wird die Zelle auch bei hohen Strömen stabilisieren.

Die starke Koppelung von Elektrodynamik, Fluiddynamik und Elektrochemie kann bei der Simulation der Zellen zum Auftreten komplexer Phänomene führen, was bei der Simulation mit erhöhten Rechenzeiten einhergeht. Großskalige Experimente sind in DRESDYN vorgesehen, dort werden die notwendige Infrastruktur für den sicheren Umgang mit Flüssigmetallen und die notwendige Strömungsmesstechnik bereit gestellt.

Forschungsgruppe Flüssigmetallbatterie

Forschungsgruppe Flüssigmetallbatterien

In unserem Batterielabor sind wir in der Lage, flüssige Elektroden und elektrolytische 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. Forschungsaktivitäten zum Betrieb der Zellen, zum Scale-Up und zur Integration ins Energiesystem erfolgen im Rahmen der gemeinsame 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.


Dieses Jahr wird von uns der erste Workshop zur Fluiddynamik von Flüssigmetallbatterien (LMBFD 2017) organisiert und am 16. und 17. Mai 2017 in Dresden durchgeführt. Der Schwerpunkt des Workshops liegt in der Fluiddynamik von Flüssigmetallbatterien und ähnlichen Anlagen (z.B. Aluminiumreduktionszellen).