Untersuchungen zur Korrosionskontrolle und zu Niedertemperaturelektrolyten für eine kostengünstige Na-basierte Flüssigmetallbatterie

• Antragsteller: Dr. Thomas Bauer; Professor Dr. Georg Müller
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik ; Energieverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 411450529

Flüssigmetallbatterien sind eine hoch interessante Energiespeichertechnologie, die niedrige Kosten mit hoher Kapazität und langer Lebensdauer kombiniert. Kürzlich hat diese Technology große Aufmerksamkeit als großskaliger Speicher für die Einkopplung volatiler erneuerbarer Energieträger wie Wind und Photovoltaik ins Stromnetz erhalten. Eine Flüssigmetallbatterie besteht aus einem flüssigen Metall A mit niedriger Dichte als negative Elektrode (z.B. Li, Na, Mg), einem flüssigen Salz mittlerer Dichte als Elektrolyt (eine Mischung aus Salzen wie NaCl, MgCl2, LiCl, NaF, NaI) und einem flüssigen Metall B mit hoher Dichte als positive Elektrode (z.B. Sb, Pb, Bi, ….). Eine Dichtung (z.B. ein keramischer Isolator) wird verwendet, um den negative Stromsammler vom positiven zu trennen. Wegen der Dichteunterschiede und der wechselseitigen Nichtmischbarkeit bleiben die Flüssigmetallelektroden und der Salzelektrolyt beim Aufheizen auf die Arbeitstemperatur zwischen 300 und 700°C in drei Lagen geschichtet und getrennt. Der Flüssigsalzelektrolyt dient zudem als Isolationsschicht zwischen der positiven und negativen Elektrode und ersetzt den Separator aus herkömmlichen Batterien. Die starke Wechselwirkung zwischen den Flüssigmetallen A und B ist die thermodynamisch treibend Kraft Ursache (Zellspannung) für das Funktionieren der Flüssigmetallbatterie. Obwohl Li-basierte Flüssigmetallbatterien herausragende elektrochemische Eigenschaften haben, wird durch den exzessiven Verbrauch an Li (z.B. Li-Batterien für den Verkehrssektor) der Li-Preis deutlich steigen und kostengünstige Na-basierte Flüssigmetallbatterien werden dadurch wettbewerbsfähig. Die größten Herausforderungen, die eine kommerzielle Verbreitung von Flüssigmetallbatterien derzeit verhindern, sind Korrosionsprobleme am Stromsammler an der positiven Elektrode, die Alterung der Dichtung und die Löslichkeit des Materials der negativen Elektrode im Elektrolyt. Hauptziel innerhalb des Forschungsantrages ist die Entwicklung eines effizienten (Entladespannung >0,5V), langlebigen (> 20 Jahre) und kostengünstigen (<200€/kWh) Flüssigmetallbatteriesystems. Es wird au seiner neuen Kombination von Flüssigmetallelektroden (Na//SbSn and Na//BiSb) und einem Na- basierten Salzelektrolyt mit einem Schmelzpunk <450°C und einer Na Löslichkeit im Elektrolyt <0.5 mol% bestehen. Um dies zu erreichen werden die oben beschriebenen Herausforderungen theoretisch und experimentell wie folgt bearbeitet: (i) Bestimmung der Korrosionsmechanismen und Entwicklung von korrosionsbeständigem Material für alle Komponenten in Kontakt mit der positiven Elektrode. (ii) Ermittlung und Auswahl des geeignetsten Dichtungsmaterials, das für den sicheren Betrieb notwendig ist, (iii) Auswahl der Zusammensetzung des Salzelektrolyten mit den besten thermochemischen Eigenschaften und der geringsten Na Löslichkeit.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China
• Partnerorganisation: National Natural Science Foundation of China
• Kooperationspartnerin: Professorin Dr. Kangli Wang