Energie : Flüssigmetall-Batterie als recycelbarer Pufferspeicher

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

„Auch wenn es sich bei dem Stromspeicher meines Kollegen Juhan Lee 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 Grad Celsius.“ 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 störe nicht, denn die Forscher*innen zielen mit ihrer Batterie 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“, so der Materialwissenschaftler Juhan Lee. „Nämlich als Pufferspeicher zur Stabilisierung des Energiesystems.“ Das sei 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.“

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 mehrere Vorteile: Auch 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. Der einfache Aufbau kommt auch am Ende ihrer Lebenszeit zum Tragen, denn beim Recycling lässt sich die Batterie leicht in ihre einzelnen Bestandteile zerlegen.

„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.

Einfacher Aufbau, kostengünstige Produktion und nachhaltig vom ersten bis zum letzten Ladevorgang – mit diesen Argumenten konnten Juhan Lee und sein Team
auch beim HZDR-Innovationswettbewerb. Bei diesem traten Anfang Dezember 2021 30 Wissenschaftler*innen in elf Teams mit ihren innovativen Ideen an, die Preisverleihung findet am 8. März statt. „Wir freuen uns sehr darüber, dass wir die Jury mit unserem Ansatz überzeugt haben“, sagt der Materialwissenschaftler. Als Gewinner des zweiten Platzes erhalten sie durch das Technologiemanagement des HZDR und Partnereinrichtungen nun wertvolle Unterstützung für die Weiterentwicklung ihrer Idee bis hin zur Marktreife.