Unter dem Namen LIMTECH (Liquid Metal Technologies) haben sich Forscher des Helmholtzzentrums Dresden-Rossendorf (HZDR), des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und weiterer Forschungseinrichtungen zusammengeschlossen, um die Entwicklung von Flüssigmetallbatterien als Stromspeicher voranzutreiben. Dabei geht es vor allem darum, große stationäre Batterien zu entwickeln, um Strom aus Photovoltaikanlagen zwischenzuspeichern und im Bedarfsfall abzurufen. Vorstellbar sind Stromspeicher mit einem Durchmesser zwischen drei und zehn Metern. Damit kann nicht nur die Einspeisung von Solarstrom in das Netz kontinuierlicher gestaltet, sondern vor allem der Eigenverbrauch erhöht werden.
Schichtstruktur organisiert sich selbst
„Der Vorteil von Flüssigmetallbatterien liegt vor allem im Preis“, erklärt Gunter Gerbeth, Direktor des Instituts für Fluiddynamik am HZDR und Koordinator von LIMTECH, gegenüber ERNEUERARE ENERIEN. „Die Flüssigmetallbatterien sind signifikant billiger und einfacher herzustellen als zum Beispiel ein Lithium-Ionen-Akku.“ Schließlich werden bei der Herstellung einfach nur die Flüssigkeiten in einen entsprechenden Behälter gegeben und die Schichtstruktur organisiert sich bei der Erhitzung selbst. Die Forscher konzentrieren sich jetzt unter anderem auf Materialfragen und die Langzeitstabilität der Flüssigmetallbatterien. Die bisher benutzten Materialien sind eine Magnesium-Antimon-Legierung und Magnesium. Da die Legierung schwerer als das Magnesium ist, sinkt es bei der Herstellung der Batterie nach unten. Zwischen den beiden Metallschichten organisiert sich eine Trennschicht aus geschmolzenem Salz. Es entsteht eine galvanische Zelle. Die Metalle sind bestrebt, sich zu vermischen und eine Legierung zu bilden. Da die Salzschmelze in der Mitte sie an der direkten Vermischung hindert, müssen die Metallatome zunächst Elektronen abgeben, um dann als Ionen durch die Salzschmelze zu wandern. Beim anderen Metall angekommen, legieren sie sich mit ihm unter Aufnahme von Elektronen. Beim Laden wird der Prozess umgekehrt und die Legierung wieder in ihre Bestandteile zerlegt. Neben Magnesium und Antimon könnten auch andere Rohstoffe benutzt werden. „Dazu muss man aber erst einmal die elektrochemischen Eigenschaften der entsprechenden Metalle untersuchen, um herauszufinden, ob sie sich für Flüssigmetallbatterien eignen“, sagt Gunter Gerbeth über die Richtung, in die die Forschung geht.
Kurzschlüsse verhindern
Aber auch andere Phänomene stehen im Blickpunkt der Wissenschaftler. Vor allem wenn man die Batterien sehr groß auslegt, treten in ihnen unter anderem die so genannte Tayler-Instabilität auf. „Fließt ein genügend starker Strom durch leitfähige Flüssigkeiten wie Flüssigmetalle, erzeugt ab einer bestimmten Stromstärke die Wechselwirkung des Stromes mit seinem eigenen Magnetfeld eine Strömung“, erklärt der Dresdner Wissenschaftler. „Dadurch kann es bei Laden und Entladen der Batterie zu Kurzschlüssen kommen. Unsere Aufgabe ist es, die Ursachen zu finden und zu untersuchen, wie man diese Tayler-Instabilität verhindern kann.“ Schließlich tritt sie nicht bei kleinen Batterien auf, sondern es sind gerade die großen Stromspeicher, die von der Tayler-Instabilität betroffen sind.
Das Projekt ist zunächst einmal auf fünf Jahre ausgelegt, wobei die Forschung an Stromspeichern nur ein Teil der Arbeit ist. Für das Gesamtprojekt der Flüssigmetallforschung beim LIMTECH stehen immerhin 20 Millionen Euro zur Verfügung. Wann allerdings Flüssigmetallspeicher auf den Markt kommen, ist noch ungewiss. „Wir treiben die Forschung auf dem Gebiet erst einmal voran“, sagt Gerbeth. „Es ist noch viel zu früh, über eine industrielle Produktion zu spekulieren.“ (Sven Ullrich)
