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Pufferspeicher für grüne Energie

Einfacher Aufbau macht Alkalimetall-Iod-Batterie wettbewerbsfähig

9. März 2022, 9:09 Uhr | Kathrin Veigel

Schema der einfach aufgebauten Flüssigmetall-Batterie: Beim Entladen gibt das Lithium Elektronen ab und löst sich in der flüssigen Salzmischung (links), ein Filz aus Graphit führt die Elektronen im unteren Zellbereich wieder zu. Beim Laden verläuft der Prozess in umgekehrter Richtung (rechts).

Ein kleiner, unscheinbarer Stahlzylinder, der am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf entwickelt wurde, könnte der Energiewende den dringend nötigen Schub verleihen: Denn die hier entworfene Flüssigmetall-Batterie glänzt durch einen einfachen Aufbau – und leicht zu recyceln ist sie auch noch.

Die Idee für das innovative Batteriekonzept hatte Dr. Juhan Lee während seiner Arbeit am Projekt SOLSTICE (Sonnenwende). Bei dem Vorhaben, das die Europäische Union über das Forschungsprogramm Horizont 2020 mit acht Millionen Euro fördert, wollen Wissenschaftler:innen des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) zusammen mit ihren Projektpartnern neuartige Stromspeicher auf der Basis von flüssigem Natrium und flüssigem Zink entwickeln.

»Auch wenn es sich bei dem Stromspeicher strenggenommen um eine Hochtemperatur-Batterie handelt, arbeitet sie doch bei einer angenehm niedrigen Betriebstemperatur«, sagt Dr. Tom Weier vom Institut für Fluiddynamik des HZDR, einer der Mitinitiatoren von SOLSTICE. Die Arbeitstemperatur des geschmolzenen Salzes liegt bei etwa 240 °C. Für tragbare Geräte wie Smartphones oder Laptops ist sie deshalb nicht geeignet. Und auch für Kraftfahrzeuge ist sie wegen des flüssigen Zellinventars und der nötigen Wärmedämmung eher unpraktisch. Aber das stört nicht, denn die Forscher:innen zielen mit ihrer Batterie ohnehin auf ein ganz anderes Anwendungsgebiet ab.

»Das hohe Potential von Flüssigmetall-Batterien wie der unseren liegt dort, wo große Anlagen ständig Energie speichern und wieder abrufen, wie das etwa bei Pufferspeichern zur Stabilisierung des Energiesystemsv der Fall ist«, erläutert der Materialwissenschaftler Juhan Lee. Das ist besonders deshalb wichtig, da erneuerbare Energiequellen wie Sonne und Wind nicht grundlastfähig sind. Das heißt, sie stehen nicht rund um die Uhr gleichmäßig zur Verfügung. An solche Pufferspeicher werden einige Anforderungen gestellt: Sie müssen günstig in der Herstellung sein und sich einfach skalieren lassen. Beide Herausforderungen soll der neue Batterietyp in Zukunft meistern.

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Membranlose Flüssigmetall-Batterie

Die Batterie besteht derzeit noch aus einem Nickelschwamm mit eingebettetem Lithium als Anode, einem keramischen Isolator und einer Salzmischung, die bei Betriebstemperatur flüssig ist. Zur Ableitung der Elektronen im unteren Zellbereich dient ein Graphitfilz. Komplizierte Membranen, die bei anderen Batteriekonzepten nötig sind, gibt es hier nicht. Beim Entladevorgang gibt das im Nickelschwamm eingebettete Lithium Elektronen ab und löst sich im Salz.

Beim Ladevorgang läuft dieser Prozess in umgekehrter Richtung ab, sodass der Nickelschwamm am Ende wieder mit metallischem Lithium gefüllt ist. Im unteren Bereich der Zelle geht Iod von der ionischen in die molekulare Form über und tauscht dabei Elektronen mit dem Graphitfilz aus.

Der einfache Aufbau hat gleich mehrere Vorteile: Selbst für eine Serienproduktion wären keine Hightech-Fertigungslinien erforderlich. Der Preis der Batterie basiert also zum größten Teil auf den Kosten des Materials – und die sind vergleichbar mit denen bewährter Batterietechnologien. Auch am Ende ihrer Lebenszeit kommt der einfache Aufbau zum Tragen, denn beim Recycling lässt sich die Batterie sehr leicht in ihre einzelnen Bestandteile zerlegen.

Nachhaltigkeit durch einfaches Recycling

»Andere Batteriekonzepte basieren auf ziemlich intensiven Materialmixen auf Nanometer-Ebene«, erklärt Weier. »Um diese beim Recycling wieder auseinanderzubekommen, bedarf es zum einen intelligenter Lösungen, zum anderen ist dafür aber auch viel Energie notwendig. Das ist bei unserem Konzept anders.«

An ihrem Lebensende angekommen, wird die Batterie geladen und abgekühlt. Das Salz verfestigt sich und das Lithium liegt als massives Metall vor. Die einzelnen Materialien können entnommen und dem Wirtschaftskreislauf wieder zugeführt werden. »Für uns ist das ein hervorragendes Beispiel von Nachhaltigkeit über den gesamten Lebenszyklus«, freut sich der Forscher.