So ist der Flüssigmetall-Akku von Juhan Lee aufgebaut: Lithium in einem Nickelschwamm gibt Elektronen ab und löst sich in flüssigem Salz – dabei gibt das System Strom ab. Ein Graphitfilz leitet die Elektronen. Wird der Akku aufgeladen, bindet sich das Jod und gibt dabei Elektronen an den Graphitfilz ab. Visualisierung: Blaurock Markenkommunikation für das HZDR
Man fülle eine Lithium-Iod-Salzschmelze plus Graphit-Filz in eine Stahlkapsel…
Dresden-Rossendorf, 4. März 2022. Um die Stromspitzen aus Solar- und Windkraftwerken auszugleichen, arbeiten Forscher am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) an besonders langlebligen und preiswerten Flüssigmetall-Großakkus. Diese etwa 650 Grad heißen Energiespeicher aus flüssigem Natrium und Zink sollen ab 2024 betriebsbereit sein und dann ihren Beitrag zur europäischen Energiewende hin zu Windkraft und Sonnenenergie leisten. Auf dem Weg dahin haben der HZDR-Materialwissenschaftler Juhan Lee und sein Team eine Kompromisslösung zwischen klassischen Lithium-Ionen-Akkus bei Zimmertemperatur und den neuen superheißen Energiespeichern gefunden: Seine langlebigen und besonders umweltfreundlichen Akkumulatoren arbeiten bei etwa 240 Grad und bestehen aus Lithium-Jodid-Salzen. Mit dem Konzept hat er nun den HZDR-Innovationswettbewerb gewonnen, teilte das Forschungszentrum mit.
Der Materialwissenschaftler Juhan Lee hatte die Idee für die membranlose
Flüssigmetall-Batterie. Der Umgang mit reaktiven Flüssigmetallen verlangt
besondere Sicherheitsvorkehrungen. Foto: Amac Garbe für das HZDR
Als stationärer Stromspitzen-Puffer konzipiert – für Autos wird der Akku aber zu heiß
„Das hohe Potenzial von Flüssigmetall-Batterien wie der unseren liegt dort, wo große Anlagen ständig Energie speichern und wieder abrufen“, erläuterte Juhan Lee. „Nämlich als Pufferspeicher zur Stabilisierung des Energiesystems.“ Um Elektroautos oder Smartphones anzutreiben, sei sein Flüssigmetall-Akku zwar immer noch zu heiß – doch für festinstallierte Stromnetz-Puffer sind solche Temperaturen kein Problem. An solche Pufferspeicher würden allerdings einige Anforderungen gestellt, betonte Dr. Tom Weier vom Institut für Fluiddynamik des HZDR. „Sie müssen günstig in der Herstellung sein und sich einfach skalieren lassen. Beide Herausforderungen soll unser neuer Batterietyp in Zukunft meistern.“
Im Inneren der Batterie-Zelle, an der Gruppenleiter Tom Weier (rechts) und Praktikantin Jeonghyun Rhee arbeiten, befinden sich zwei Flüssigmetalle. Foto: Amac Garbe für das HZDR
Ein „Abfallprodukt“ des Solstice-Projektes
Das Akku-Konzept von Juhan Lee entstand en passant während des größer angelegten Forschungsprojektes „Solstice“ (Sonnenwende). Dabei entwickelt das HZDR gemeinsam mit dem Batteriehersteller „FZSoNick“ aus der Schweiz und einem knappen Dutzend weiteren Partnern aus Europa stationäre Großakkus, die auf einer Salzschmelze aus flüssigem Natrium und Zink bestehen. Sie sind auf lange Lebensdauer mit weit mehr Ladezyklen als klassische Akkus sowie auf niedrige Kosten ausgelegt. Außerdem lassen sich mit diesem Konzept Lithium, Kobalt, Nickel und andere rare Metalle einsparen.
Einfacher Aufbau ohne komplizierte Membranen und Keramiken
Der nun von Dr. Juhan Lee konzeptionierte Flüssigspeicher ähnelt der Natrium-Zink-Batterie, ist aber weit einfacher aufgebaut: Statt teurer und komplizierter Keramiken, Membranen und Nanostrukturen hat sie einen einfachen Graphitfilz als Elektronenleiter und ist mit Stahl ummantelt. „Beim Entladevorgang gibt das im Nickelschwamm eingebettete Lithium Elektronen ab und löst sich im Salz“, heißt es in der HZDR-Beschreibung. „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.“
Auf Kreislaufwirtschaft getrimmt
Solche Zellen könnten Akku-Fabriken recht einfach und preiswert herstellen, sind die Erfinder und auch die Jury des HZDR-Innovationswettbewerbs überzeugt. Vor allem aber sind diese Akkus ganz auf Kreislaufwirtschaft getrimmt: „An ihrem Lebensende angekommen, wird die Batterie geladen und abgekühlt“, erklären die Forscher. „Das Salz verfestigt sich und das Lithium liegt als massives Metall vor. Die einzelnen Materialien können entnommen und dem Wirtschaftskreislauf wieder zugeführt werden.“
Spätere Ausgründung denkbar
Bis solche preiswerten Flüssigsalz-Akkus serienreif sind, werden aber noch etwa zehn Jahre vergehen, schätzt Tom Weier. „Wir stehen damit noch ganz am Anfang.“ Die Innovation habe aber durchaus das Potenzial für eine spätere Firmen-Ausgründung aus dem HZDR. Der Erfinder Juhan Lee hofft dabei auch auf Unterstützung von „Dresden exists“ und der „Hightech-Startbahn“, die schon viele Hightech-Gründungen im Silicon Saxony aufgepäppelt haben.
Autor: Heiko Weckbrodt
Quellen: HZDR, Gespräch mit Tom Weier
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