Pufferspeicher für „grüne“ Energie - Einfacher Aufbau macht Alkalimetall- Iod-Batterie wettbewerbsfähig

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 Jury des HZDR-Innovationswettbewerbs zeigte
sich zudem beeindruckt, dass sich die Batterie am Ende ihrer Lebenszeit
gut recyceln lässt. Die Preisverleihung findet am 8. März statt.

Die Idee für das innovative 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*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
stört nicht, denn die Forscher*innen zielen mit ihrer Batterie ohnehin 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“,
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*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. „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.