Ein unscheinbarer Stahlzylinder – rund sieben Zentimeter im Durchmesser und zehn Zentimeter hoch – könnte der Energiewende einen dringend benötigten Schub verleihen. Denn die Flüssigmetall-Batterie, die Dr. Juhan Lee und sein Team am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) entwickelt haben, glänzt vor allem durch ihren einfachen und kostengünstigen Aufbau.
Die Idee für das neuartige Batteriekonzept hatte 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 des HZDR zusammen mit ihren Projektpartnern neuartige Stromspeicher auf der Basis von flüssigem Natrium und flüssigem Zink entwickeln.
Nutzung als Pufferspeicher
„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 °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 zielen mit ihrer Batterie ohnehin auf ein ganz anderes Anwendungsgebiet ab.
„Das hohe Potenzial von Flüssigmetall-Batterien 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 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.
Einfacher Aufbau, kostengünstige Produktion und nachhaltig vom ersten bis zum letzten Ladevorgang – das alles sind Argumente, mit denen Juhan Lee und sein Team jetzt auch beim HZDR-Innovationswettbewerb punkten konnten. Bei diesem traten Anfang Dezember 2021 30 Wissenschaftler in elf Teams mit ihren innovativen Ideen an.
„Wir freuen uns sehr darüber, dass wir die Jury mit unserem Ansatz überzeugt haben“, sagt der Materialwissenschaftler. „Denn als einer der Gewinner erhalten wir durch das Technologiemanagement des HZDR und Partnereinrichtungen wie dresden|exists oder die HighTech-Startbahn wertvolle Unterstützung für die Weiterentwicklung unserer Idee bis hin zur Marktreife.
