Stofftransport in Flüssigmetallbatterien

Ein optimaler Masse- und Stofftransport ist essentiell für die Funktion vom Flüssigmetallbatterien. Insbesondere sollte die Kathode einer Flüssigmetallbatterie stets gut durchmischt sein. Der Stofftransport bestimmt ganz wesentlich 

• die Zellspannung
• mögliche Entladeströme
• die Kapazität der Zellen

Um einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen muss der Stofftransport in Flüssigmetallbatterien gezielt optimiert werden. Dazu kann eine ganze Reihe verschiedener Strömungsphänomene genutzt werden, wie z. B.

• Tayler Instabilität
• Elektrowirbelströmung
• Oberflächeninstabilitäten
• Thermische Konvektion
• Solutale Konvektion
• Marangonikonvektion

Diese Phänomene werden am HZDR experimentell, aber auch numerisch mit der Software OpenFOAM erforscht.

Strömungsphänomene

Thermische Effekte in Flüssigmetallbatterien

Thermische Konvektion tritt in Flüssigmetallbatterien vorwiegend in der Anode der Zelle, aber auch in der Elektrolytschicht auf.

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Elektrowirbelströmung

Elektrowirbelströmung kann immer dann auftreten, wenn die Stromdichte­vertei­lung in einer Flüssig­keit mehrere nicht ­verschwindenden Komponen­ten besitzt.

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Grenzflächeninstabilitäten

Langwellige Oberflächen­instabilitäten begrenzen die mögliche Elektrolytschichtdicke und den zulässigen Strom bei Aluminium-Reduktions­zellen und Flüssigmetallbatterien.

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Die Tayler Instabilität

Die Tayler Instabilität begrenzt die Skalierbar­keit von Flüssigmetallbatterien und spielt eine wichtige Rolle in der Astrophysik.

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Solutale Konvektion

Solutale Konvektion tritt beim Laden von Flüssigmetallbatterien auf, und ­verbessert den Stofftransport erheblich.

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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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Modellie­rung von Salzschmelzen-Elektrolyten

Stofftransport im Elektrolyten bestimmt den Wirkungs­grad von Flüssigmetallbatterien.

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Publikationen

• Sarma, M.; Shevchenko, N.; Weber, N.; Weier, T.
  Operando characterisation of Na-Zn molten salt batteries using X-ray radiography: insights into performance degradation and cell failure
  Energy Storage Materials 83(2025) 104654
• Personnettaz, P.; Landgraf, S.; Weier, T.; Weber, N.; Eckert, S.
  Schaltungsanordnungen mit elektrochemischer Zelle und Verfahren zum Betrieb einer elektrochemischen Zelle
  Deutsches Patent DE 10 2020 134 881
• 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
• 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
• Personnettaz, P.; Klopper, T. S.; Weber, N.; Weier, T.
  Layer coupling between solutal and thermal convection in liquid metal batteries
  International Journal of Heat and Mass Transfer 188(2022) 122555
• Personnettaz, P.; Landgraf, S.; Nimtz, M.; Weber, N.; Weier, T.
  Effects of current distribution on mass transport in the positive electrode of a liquid metal battery
  Magnetohydrodynamics 56(2020) 247-254
• Herreman, W.; Bénard, S.; Nore, C.; Personnettaz, P.; Cappanera, L.; Guermond, J.-L.
  Solutal buoyancy and electrovortex flow in liquid metal batteries
  Physical Review Fluids 5(2020) 074501
• Weber, N.; Nimtz, M.; Personnettaz, P.; Weier, T.; Sadoway, D.
  Numerical simulation of mass transfer enhancement in liquid metal batteries by means of electro-vortex flow
  Journal of Power Sources Advances 1(2020) 100004
• Personnettaz, P.; Landgraf, S.; Nimtz, M.; Weber, N.; Weier, T.
  Mass transport induced asymmetry in charge/discharge behavior of liquid metal batteries
  Electrochemistry Communications 105(2019) 106496
• 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
• Weber, N.; Nimtz, M.; Personnettaz, P.; Salas, A.; Weier, T.
  Electromagnetically driven convection suitable for mass transfer enhancement in liquid metal batteries
  Applied Thermal Engineering 143(2018) 293-301
• 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