Flüssigmetallbatterien mit verbessertem Wirkungsgrad

Wissenschaftler des HZDR-Instituts für Fluid­dynamik forschen seit mehreren Jahren an Flüssig­metall­batterien und gelten inzwischen als europa­weit führend. Norbert Weber vom HZDR gelang es jetzt, gemeinsam mit Kollegen vom Massa­chu­setts Institute of Technology eine neuartige Lithium-Blei-Flüssig­metall­batterie entscheidend zu optimieren. Das Team konnte den Strom­wirkungs­grad auf nahezu 100 Prozent steigern und die Energie­dichte gleich­zeitig um 45 Prozent erhöhen.

Wissenschaftlern am MIT war es gelungen, eine Membran für Flüssig­metall­batterien zu entwickeln, die Zellen mit einer besonders hohen Spannung ermöglicht. Basierend auf dieser Innovation – also einer Membran zwischen den Metall­elektroden – konnte Weber im Team von Donald Sadoway am MIT den Wirkungs­grad dieser Batterien entscheidend verbessern.

Die Batterien sind einer Arbeits­temperatur von mehr als vier­hundert Grad Celsius ausgesetzt, damit die Metalle in flüssiger Form vorliegen. Im oberen Teil der Batterie befindet sich 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 so die Salzschmelze. Sie verhindert dadurch 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. Das wiederum hat einen höheren Wirkungs­grad zur Folge. Weber und seine MIT-Kollegen konnten 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“, sagt Weber.

Für die Demonstration dieser Möglichkeit der Wirkungs­grad­steigerung wurde zunächst eine vorhandene Lithium-Blei-Batterie verwendet. Im nächsten Schritt arbeiten die HZDR-Wissen­schaftler 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.

HZDR / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  K. Mushtaq et al.: Self-discharge mitigation in a liquid metal displacement battery, J. Energy Chem. 66, 390 (2021); DOI: 10.1016/j.jechem.2021.08.015
• Energiespeicherung und -wandlung mit Flüssigmetallen, Abt. Magnetohydrodynamik Institut für Fluiddynamik, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf