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Stationäre Energiespeicher

Flüssigmetallbatterie mit fast 100 Prozent Wirkungsgrad

HZDR, liquid metal displacement battery
Lithium-Flüssigmetall-Elektrode
© Steffen Landgraf, Michael Nimtz

Stationäre Speicher für regenerative Energien sind derzeit noch teuer, schlecht und oft nicht recycelbar. Ein Team des HZDR und des MIT haben eine Lithium-Blei-Flüssigmetallbatterie entwickelt, deren Wirkungsgrad bei fast 100 Prozent liegt. Alternativen zu Lithium und Blei werden erforscht.

Forschende am Institut für Fluiddynamik des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HDZR) arbeiten seit mehreren Jahren an Flüssigmetallbatterien. Gemeinsam mit dem Massachusetts Institute of Technology (MIT) ist es Dr. Norbert Weber gelungen, eine neuartige Lithium-Blei-Flüssigmetallbatterie zu optimieren. Durch eine verbesserte Elektrolyt-Rezeptur konnte das Team den Wirkungsgrad auf nahezu 100 Prozent steigern und die Energiedichte gleichzeitig um 45 Prozent erhöhen, wie sie im Journal of Energy Chemistry.

Am MIT, wo Norbert Weber drei Monate als Postdoktorand arbeitete, war es einem Team gelungen, eine Membran für Flüssigmetallbatterien zu entwickeln, die Zellen mit einer besonders hohen Spannung ermöglicht. Basierend auf dieser Membran zwischen den Metallelektroden konnte Weber im Team von Prof. Donald Sadoway am MIT den Wirkungsgrad dieser Batterien entscheidend verbessern.

Die Batterien sind einer Arbeitstemperatur von mehr als +400 °C ausgesetzt, damit die Metalle in flüssiger Form vorliegen. Im oberen Teil der Batterie befindet sich das leichte Lithium, in der Mitte eine Salzschmelze, unten liegt das schwerere Blei. Die Membran fungiert dabei als eine Art zusätzliche, zweite Trennwand zwischen den Metallen Lithium und Blei und verstärkt damit die Salzschmelze. Dadurch verhindert sie ungewollte chemische Prozesse, die die Batterie irreversibel schädigen würden. Zusätzlich zur Membran gibt es weitere Faktoren, die die Vermischung der Salzschmelze beeinflussen. Je geringer deren Durchmischung, umso geringer ist auch die Selbstentladung der Batterien, was wiederum den Wirkungsgrad erhöht.

Das Team konnte zeigen, dass sich unter verschiedenen Versuchsanordnungen, in denen die Durchmischung der Salzschmelze durch die Beimengung von Bleioxid gebremst wurde, der Wirkungsrad der Batterien deutlich erhöhte – von 92 auf fast 100 Prozent. »Die hohen Stromdichten, der komplett flüssige Aufbau und das damit sehr einfache Recycling machen diese Batterien zu einem idealen stationären Energiespeicher für den Ausgleich stark fluktuierender Sonnen- und Windenergie«, schätzt Norbert Weber ein.

Um die Möglichkeiten des höheren Wirkungsgrads zu demonstrieren, verwendete das Team zunächst eine vorhandene Lithium-Blei-Batterie. Im nächsten Schritt arbeiten die Forschenden am HZDR nun daran, statt Lithium und Blei künftig umweltverträglichere und besser verfügbare Rohstoffe zu verwenden. Vielversprechende Alternativen sind Natrium und Zink, die bereits im von der Europäischen Union geförderten und vom HZDR koordinierten Forschungsprojekt SOLSTICE erforscht werden.

Originalpublikation

K. Mushtaq, et al.: Self-discharge mitigation in a liquid metal displacement battery, in Journal of Energy Chemistry, 2021 (DOI: 10.1016/j.jechem.2021.08.015)

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