Energie 09. Mrz 2022 Von Peter Kellerhoff/HZDR

Günstiger Pufferspeicher für grüne Energie

Einfacher Aufbau macht eine neu entwickelte Flüssigmetallbatterie wettbewerbsfähig. Und sie lässt sich später gut recyceln.

Schema der einfach aufgebauten Flüssigmetallbatterie: Beim Entladen gibt das Lithium Elektronen ab und löst sich in der flüssigen Salzmischung (li.), ein Filz aus Grafit führt die Elektronen im unteren Zellbereich wieder zu. Beim Laden verläuft der Prozess in umgekehrter Richtung (re.). Dabei gibt das Iod beim Übergang in die molekulare Form (lila) Elektronen an den Grafitfilz ab.
Foto: HZDR/blaurock markenkommunikation

Ein unscheinbarer Stahlzylinder – rund 7 cm im Durchmesser und 10 cm hoch – könnte der Energiewende einen dringend benötigten Schub verleihen. Denn die Flüssigmetallbatterie, die Juhan Lee und sein Team am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) entwickelt haben, glänzt vor allem durch ihren einfachen und kostengünstigen Aufbau. Und sie lässt sich zudem am Ende ihrer Lebenszeit gut recyceln.

Die Idee für das neue Batteriekonzept hatte Juhan Lee während seiner Arbeit am Projekt Solstice (Sonnenwende). Bei dem Vorhaben, das die Europäische Union über das Forschungsprogramm Horizont 2020 mit 8 Mio. € fördert, wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des HZDR zusammen mit ihren Projektpartnern neuartige Stromspeicher auf der Basis von flüssigem Natrium und flüssigem Zink entwickeln.

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Neuer Batterietyp: Für Smartphones und Pkw ungeeignet, als großer, stationärer Pufferspeicher ideal

„Auch wenn es sich bei dem Stromspeicher meines Kollegen Juhan Lee streng genommen um eine Hochtemperaturbatterie handelt, arbeitet sie doch bei einer angenehm niedrigen Betriebstemperatur“, sagt 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 Forschenden zielen mit ihrer Batterie ohnehin auf ein ganz anderes Anwendungsgebiet ab.

Redox-Flow-Batterien zum Sparpreis

„Das hohe Potenzial von Flüssigmetallbatterien wie der unseren liegt dort, wo große Anlagen ständig Energie speichern und wieder abrufen“, erläutert der Materialwissenschaftler Juhan Lee. „Nämlich als Pufferspeicher zur Stabilisierung des Energiesystems.“ 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“, erklärt Weier „Sie müssen günstig in der Herstellung sein und sich einfach skalieren lassen. Beide Herausforderungen soll unser neuer Batterietyp in Zukunft meistern.“

Membranlose Flüssigmetallbatterie

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 Grafitfilz. 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 das chemische Element Iod (Jod) von der ionischen in die molekulare Form über und tauscht dabei Elektronen mit dem Grafitfilz aus.

Der einfache Aufbau hat gleich mehrere Vorteile: Selbst für eine Serienproduktion wären keine Hightechfertigungslinien 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.“

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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.

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