Solutale Konvektion

Solutale Konvektion tritt in der Kathode einer Flüssigmetallbatterie auf. Entlädt man die Zelle, so legiert ein leichtes in ein schweres Metall. Vertauscht man nun die Stromrichtung - und lädt also die Zelle auf - so wird leichtes Metall von der Oberfläche der Kathode entfernt. An der Oberfläche bleibt folglich schweres Metall zurück. Diese lokalen Konzentrationsgradienten führen zu Dichtegradienten und Strömungsstrukturen wie nachfolgend gezeigt.

Solutale Konvektion tritt nur beim Laden von Flüssigmetallbatterien auf. Sie verbessert dabei den Stofftransport und damit den Zellwirkungsgrad. Während des Entladens bildet sich hingegen eine stabile Dichteschichtung, die die Entstehung von Konvektion behindert.

Darüber hinaus kann in manchen Zellen solutale Konvektion auch in der Elektrolytschicht beobachtet werden.

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
• 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
• 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
• Weber, N.; Duczek, C.; Horstmann, G.M.; Landgraf, S.; Nimtz, M.; Personnettaz, P.; Weier, T.; Sadoway, D.R.
  Cell voltage model for Li-Bi liquid metal batteries
  Applied Energy 209(2022) 118331
• 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
• 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
• Kelley, D.; Weier, T.
  Fluid mechanics of liquid metal batteries
  Applied Mechanics Reviews 70(2018) 020801