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Thermische Effekte in Flüssigmetallbatterien

Der ohmsche Widerstand einer Flüssigmetallbatterie führt während des Betriebs zur Erwärmung der Zelle. Die entstandene Wärme wird durch Konvektion, Wärmeleitung und Wärmestrahlung verteilt. Ein thermisches Managementsystem stellt sicher, dass die Zelle stets in einem wohl definierten Temperaturbereich arbeitet (Abb. 1).

Thermische Effekte FMB

Abb. 1: Konvektion, Strahlung und Wärmeleitung interagieren in einer Flüssigmetallbatterie.

Die Elektrolytschicht (welche aus einer Salzschmelze besteht) hat den höchsten Widerstand der drei Phasen. Abb. 2 zeigt ein typisches Temperaturprofil einer Flüssigmetallbatterie im Betrieb. Die untere Elektrode wird von oben geheizt - es bildet sich eine stabile Temperaturschichtung. Die obere flüssige Elektrode dagegen wird von unten erwärmt. Infolge dessen ensteht hier eine thermisch getrieben Strömung.

Temperaturprofil

Abb. 2: Typisches vertikales Temperaturprofil in einer Flüssigmetallbatterie.

Typischerweise wird thermische Konvektion nur in der oberen Elektrode und der Elektrolytschicht auftreten. Am HZDR erforschen wir Rayleigh-Bénard Konvektion in Flüssigmetallbatterien, um den Stofftransport und damit den Wirkungsgrad der Batterien zukünftig zu verbessern. Zu diesem Zweck wurde kürzlich ein Mehrphasen-Löser auf Basis der Boussinesq-Approximation zur Beschreibung thermischer Konvektion entwickelt.

Rayleigh-Benard Konvektion FMB

Abb. 3: Thermische Konvektion in der Anode einer Flüssigmetallbatterie.

Publikationen

  • Weber, N.; Nimtz, M.; Personnettaz, P.; Salas, A.; Weier, T.
    Electromagnetically driven convection suitable for mass transfer enhancement in liquid metal batteries
    arXiv:1802.02214
  • Ashour, R.; Kelley, D.; Salas, A.; Starace, M.; Weber, N.; Weier, T.
    Competing forces in liquid metal electrodes and batteries
    Journal of Power Sources 378(2018) 301-310
  • Kelley, D.; Weier, T.
    Fluid mechanics of liquid metal batteries
    Applied Mechanics Reviews 70(2018) 020801
  • Personnettaz, P.
    Assessment of thermal phenomena in Li||Bi liquid metal batteries through analytical and numerical models
    Master thesis, Politecnico di Torino (2017)

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