Nichts könnte die Energiewende so gut vorantreiben wie bessere Stromspeicher. Ein internationales Team aus Forschenden von MIT und HZDR setzt auf Flüssigmetallbatterien und kann eine Top-Nachricht verkünden: Das Team hat Wirkungsgrad und Energiedichte enorm gesteigert.
Steckt in dieser Metall-Mischung der Energiespeicher der Zukunft?
An den wahrscheinlich letzten schönen Spätsommertagen genießen wir die Strahlen der Sonne – dort oben ist wirklich genug Energie vorhanden, um unseren Bedarf zu decken. Es kommt auch mehr als genug hier unten an. Aber das Problem ist bekannt: Es fehlen effiziente und praktikable Speichermöglichkeiten. Forschende aus aller Welt versuchen, diese Hürde zu überwinden – oftmals gemeinsam. Ein internationales Team aus Forschenden am Massachusetts Institute of Technology (MIT) und vom HZDR-Institut für Fluiddynamik (HZDR = Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf) arbeiten an einer Flüssigmetallbatterie. Jetzt ist es ihnen gelungen, diesen Energiespeicher entscheidend zu verbessern.
Flüssigmetallbatterien als Alternative für Großspeicher
Ideale Speichersysteme müssen verschiedene Anforderungen erfüllen. Neben der Kapazität spielt unter anderem der Preis eine Rolle. Hinzu kommt die Frage, inwieweit das System recycelbar wäre. Gerade bei wertvollen Rohstoffen wie Lithium ist das ein wichtiger Punkt. Denn das Thema Nachhaltigkeit wird heute in allen Bereichen mitgedacht.
Flüssigmetallbatterien könnten als Energiespeicher deutlich an Bedeutung gewinnen. Denn ihre Grundvoraussetzungen sind sehr gut: Sowohl Elektroden als auch der Elektrolyt sind flüssig. Wer Materialien mit entsprechenden Dichten zusammengesetzt, erhält daher eine stabile Schichtung. Zudem besitzen Vorgänge an den Grenzschichten zweier Flüssigkeiten eine hohe Kinetik. Für Energiespeicher heißt das, ohne große Wirkungsverluste sind hohe Lade- und Entladeströme möglich. Zudem nimmt die Elektrodenstruktur der Flüssigkeiten immer wieder den Urzustand an. Es sind also nahezu unendlich viele Ladungszyklen möglich, ohne dass wesentliche Alterungseffekte erkennbar wären. Damit scheinen Flüssigmetallbatterien vor allem als Großspeicher für erneuerbare Energien eine interessante Option zu sein.
Wirkungsgrad der Flüssigmetallbatterie steigt durch ein weiteres Material
Das Team von HDZR und MIT arbeitet schon längere an Flüssigmetallbatterien. Jetzt ist es den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern gelungen, eine Lithium-Blei-Flüssigmetallbatterie noch einmal ein ganzes Stück zu verbessern. Eine veränderte Elektrolytrezeptur führt dazu, dass der Stromwirkungsgrad auf nahezu 100% steigt und auch die Energiedichte um 45% zunimmt.
Die Flüssigmetallbatterien brauchen derzeit allerdings eine Arbeitstemperatur von mehr als 400 Grad Celsius, damit die Metalle in flüssiger Form vorliegen. Der obere Teil der Batterie besteht aus Lithium, in der Mitte befindet sich eine Salzschmelze, unten liegt das schwerere Blei. Zwischen dem Lithium und dem Blei ist eine Membran eingelagert, die als eine Art zusätzliche Trennwand zwischen den Metallen dient und so die Salzschmelze verstärkt. Ungewollte chemische Prozesse werden durch diese Membran unterbunden.
Weitere Faktoren beeinflussen die Vermischung der Salzschmelze. Dazu muss man wissen: Von der Durchmischung hängt es ab, wie stark sich die Flüssigmetallbatterie selbst entlädt. Je stärker die Durchmischung ausfällt, desto intensiver läuft die Selbstentladung ab. In der Folge sinkt der Wirkungsgrad. Die Forschenden fanden jedoch heraus, dass die Durchmischung abnahm, wenn sie der Batterie Bleioxid hinzufügten. Der Wirkungsgrad stieg daraufhin von 92% und fast 100%. „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 Norbert Weber vom HZDR.
Rohstoffe müssen umweltverträglich und gut verfügbar sein
Die Forschung zur neuartigen Flüssigmetallbatterie steht trotzdem noch ziemlich am Anfang. Für den Praxistest haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eine Batterie mit einer Lithium-Blei-Mischung verwendet. Lithium wird jedoch ohnehin stark nachgefragt, sodass die Verfügbarkeit in absehbarer Zeit sinken dürfte. Blei ist zudem ein Material, das als nicht sehr umweltverträglich gilt. Für die Forschenden steht jetzt die Suche nach Alternativen auf dem Plan. Das Prinzip der Flüssigmetallbatterie wollen sie im nächsten Schritt mit Natrium und Zink testen. Eine entsprechende Forschung wird bereits von der Europäischen Union gefördert.
