Modellierung von Stofftransport und Elektrodenreaktionen in Flüssigmetallbatterien

• Antragsteller: Dr.-Ing. Norbert Weber
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 338560565

Im Rahmen der Energiewende soll im Jahre 2050 80% des gesamten Strombedarfs aus regenerativen Energiequellen gedeckt werden. Da Wind- und Solarenergie stark fluktuieren, ist dann der Einsatz stationärer Speicher in erheblichem Umfang unerlässlich. Diese müssen einige generelle Bedingungen erfüllen: geringer Preis (10ct/kWh), hoher Wirkungsgrad (>80%), lange Lebensdauer (7000 Zyklen) und für den Einsatz als Kurzzeitspeicher: schnelle Reaktionszeit. Bisher erfüllt keine Speichertechnologie alle Kriterien; daher ist die Entwicklung neuer, oder die Verbesserung vorhandener Speicher dringend erforderlich. Eine vollkommen neue, und sehr vielversprechende Speichertechnologie ist die Flüssigmetallbatterie (FMB). Sie besteht aus einer stabilen Dichteschichtung zweier flüssiger Metallelektroden, welche durch eine Salzschmelze getrennt sind. Der Einsatz günstiger Materialien, wie Na oder Pb, und ein einfacher Aufbau ermöglichen die Herstellung sehr preiswerter Zellen. Der komplett flüssige Aufbau verhindert Mikrodegradation und verspricht sehr hohe Lebensdauern. Die optimale Kinetik an den flüssigen Phasengrenzen ermöglicht potentiell sehr hohe Stromdichten. Diese erlauben die Bereitstellung großer Leistungen, werden praktisch aber oft noch nicht erreicht.Ziel des Projekts ist die Erhöhung von Stromdichte und Wirkungsgrad von FMB. Es soll dazu ein elektrochemisches Zellmodell entwickelt und mit einem vorhanden strömungsmechanischen Modell gekoppelt werden. Die Implementierung erfolgt in der freien CFD Bibliothek OpenFOAM, auch um die Nachnutzung durch andere Forscher zu vereinfachen. Anschließend ist eine analytische und experimentelle Validierung geplant. Mit dem Modell soll zunächst der Einfluss verschiedener Verlustmechanismen (ohmsche Verluste, Konzentrationsgrenzschichten, Ladungstransfer) bewertet werden. Weiterhin soll ihre Abhängigkeit von Temperatur, Stromdichte, Betriebszustand und Geometrie der Zelle untersucht werden. Im letzten, entscheidenden Schritt soll analysiert werden, wie sich Wirkungsgrad und Stromdichte durch gezieltes Mischen von Kathode oder Elektrolyt erhöhen lassen. Ein gezieltes Rühren des flüssigen Inventars der Zelle wurde mehrfach zur Verbesserung des Stofftransports vorgeschlagen.Die hohe Bedeutung der oben genannten Verlustmechanismen wurde in der Literatur wiederholt hervorgehoben; bisher wurde ihr Einfluss jedoch nie genauer untersucht bzw. quantifiziert. Das Modell soll durch die Kopplung von Elektrodynamik, Strömungsmechanik und Elektrochemie die Grundlage für eine detaillierte Simulation von FMB bilden. Es kann zukünftig beliebig erweitert werden (z. B.: Bildung intermetallischer Phasen), um weiter Vorgänge in den Zellen zu untersuchen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Dr. Frank Stefani; Dr.-Ing. Tom Weier