Wirkungsgrad von Flüssigmetallbatterien verbessert

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Internationales Team optimiert neuartige Lithium-Blei-Flüssigmetallbatterie

Klimaschutz bedeutet, zunehmend auf erneuerbare Energien umzusteuern. Doch um Sonnen-, Wind- und andere regenerative Energien speichern zu können, braucht es ausgeklügelte Systeme. Noch sind die heutigen Speicher zu teuer und schlecht oder gar nicht recycelbar. Wissenschaftler des HZDR-Instituts für Fluiddynamik forschen seit mehreren Jahren an Flüssigmetallbatterien und gelten inzwischen als europaweit führend. Norbert Weber vom HZDR gelang es, gemeinsam mit dem Massachusetts Institute of Technology (MIT) eine neuartige Lithium-Blei-Flüssigmetallbatterie entscheidend zu optimieren.

Li-Ionen-Batterie am Berliner Effizienzhaus Plus – Foto © Gerhard Hofmann für Solarify

Durch eine verbesserte Elektrolytrezeptur konnte das Team den Stromwirkungsgrad auf nahezu 100 Prozent steigern und die Energiedichte gleichzeitig um 45 Prozent erhöhen, wie das Journal of Energy Chemistry berichtet (DOI: 10.1016/j.jechem.2021.08.015).

Norbert Weber vom Institut für Fluiddynamik hat als Postdoc drei Monate am MIT in Boston geforscht. Dort traf er auf Wissenschaftler, denen es gelungen war, eine Membran für Flüssigmetallbatterien zu entwickeln, die Zellen mit einer besonders hohen Spannung ermöglicht. Basierend auf dieser Innovation ­­­– also der 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 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. Dies wiederum hat einen höheren Wirkungsgrad zur Folge. Weber und seine MIT-Kolleg 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“, schätzt Norbert Weber ein.

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

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