Experimente mit Flüssigmetallbatteriezellen

Im Batterielabor werden verschiedene Flüssigmetallbatterien gebaut und getestet. Dabei werden der Einfluss von Zellchemie, Geometrie und der verwendeten Konstruktionsmaterialien untersucht.

Für die Experimente werden kleine Zellen gefertigt und unter Argonatmosphäre in der Glovebox sowie reale Zellen im Labor getestet.

Zu den verfügbaren Geräten gehören unter anderem:

• Geteilte Präparations- und Versuchsbox (Glovebox mit Temperierung und Regeneriersystem: O₂/H₂O<0,1ppm)
• Massenspektrometer mit Kapillareinlass in der Glovebox
• Hochtemperatur-Ultrahochvakuum Rezipient für Präparationen und Versuche
• Laserinduziertes Plasmaspektrometer (Optik: Aryell200)
• Laboröfen
• Potentiostate
• Keithley Sourcemeter

Die elektrochemischen Untersuchungen und Entwicklungen zu Flüssigmetallbatterien umfassen u. a.:

• Optimierung der Elektrodenpaarung
• Untersuchung von Materialpaarungen Elektroden/Elektrolyt/Ableiter/Isolator
• Untersuchungen an niedrigschmelzenden Salzgemischen
• Messung der Gasentwicklung in situ (Aufschmelzen von Salzgemischen und Zellbetrieb)
• Zyklierung von Zellen in Langzeittests
• Entwicklung von Zellgehäusen
• Korrosionsstudien
• Röntgen- und Neutronengradiographie von Flüssigmetallbatterien

Korrosion

Korrosion wird insbesondere in Salzschmelzen untersucht. Dazu werden elektrochemische Verfahren, ICP-MS und di­verse Mikroskope genutzt.

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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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Batterie-Design und Ausle­gung

Ein optimiertes Zelldesign ist entscheidend für eine lange Lebensdauer einer Flüssigmetallbatterie.

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Publikationen

• Duczek, C.; Weber, N.; Nash, W.; Sarma, M.; Weier, T.
  Solutal convection in Na–Zn liquid metal batteries and its impact on self-discharge
  Physics of Fluids 37(2025) 023370
• Nash, W.; Sarma, M.; Lappan, T.; Trtik, P.; Solem, C. K. W.; Wang, Z.; Duczek, C.; Béltran, A.; Weber, N.; Weier, T.
  Diaphragm performance of high-temperature Na–Zn cells evaluated by neutron imaging
  Journal of Energy Storage 114(2025) 115542
• Duczek, C.; Horstmann, G. M.; Ding, W.; Einarsrud, K. E.; Gelfgat, A. Y.; Godinez-Brizuela, O. E.; Kjos, O. S.; Landgraf, S.; Lappan, T.; Monrrabal, G.; Nash, W.; Personnettaz, P.; Sarma, M.; Sommerseth, C.; Trtik, P.; Weber, N.; Weier, T.
  Fluid mechanics of Na-Zn liquid metal batteries
  Applied Physics Reviews 11(2024), 041326
• Sarma, M.; Lee, J.; Nash, W.; Lappan, T.; Shevchenko, N.; Landgraf, S.; Monrrabal, G.; Trtik, P.; Weber, N.; Weier, T.
  Reusable cell design for high-temperature (600°C) liquid metal battery cycling
  Journal of the Electrochemical Society 171(2024) 040531
• Godinez-Brizuela, O. E.; Duczek, C., Weber, N.; Nash, W.; Sarma, M.; Einarsrud, K. E.
  A continuous multiphase model for liquid metal batteries
  Journal of Energy Storage 73(2023) 109147
• Kumar, S.; Ding, W.; Hoffmann, R.; Sieuw, L.; Heinz, M. V. F.; Weber, N.; Bonk, A.
  AlCl₃-NaCl-ZnCl₂ secondary electrolyte in next-generation ZEBRA (Na-ZnCl₂) battery
  Batteries 9(2023) 401
• Lee, J.; Monrrabal, G.; Sarma, M.; Lappan, T.; Hofstetter, Y. J.; Trtik, P.; Landgraf, S.; Ding, W.; Kumar, S.; Vaynzof, Y.; Weber, N.; Weier, T.
  Membrane-Free Alkali Metal-Iodide Battery with a Molten Salt
  Energy Technology 11(2023) 2300051
• Mushtaq, K.; Zhao, J.; Weber, N.; Mendes, A.; Sadoway, D.R.
  Self-discharge mitigation in a liquid metal displacement battery
  Journal of Energy Chemistry 66(2022) 390-396
• Bénard, S.; Weber, N.; Horstmann, G.M.; Landgraf, S.; Weier, T.
  Anode-metal drop formation and detachment mechanisms in liquid metal batteries
  Journal of Power Sources 510(2021) 230339
• Weber, N.; Landgraf, S.; Mushtaq, K.; Nimtz, M.; Personnettaz, P.; Weier, T.; Zhao, J.; Sadoway, D.
  Modeling discontinuous potential distributions using the finite volume method, and application to liquid metal batteries
  Electrochimica Acta 318(2019) 857-864
• Weier, T.; Bund, A.; El-Mofid, W.; Horstmann, G.M.; Lalau, C.-C.; Landgraf, S.; Nimtz, M.; Starace, M.; Stefani, F.; Weber, N.
  Liquid metal batteries - materials selection and fluid dynamics
  IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 228(2017), 012013
• Stefani, F.; Galindo, V.; Kasprzyk, C.; Landgraf, S.; Seilmayer, M.; Starace, M.; Weber, N.; Weier, T.
  Magnetohydrodynamic effects in liquid metal batteries
  IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 143(2016), 012024
• Lalau, C.-C.; Bund, A.; Ispas, A.; Weier, T.
  Sodium-bismuth-lead low temperature liquid metal battery
  Journal of Electrochemistry and Plating Technology JEPT-4808 (2015)