MiTemp: Super-Ionenleiter als Separator

Im Projekt MiTemp soll eine Mitteltemperatur-Thermalbatterie mit flüssiger Natrium-Metall-Anode und wässriger, hochkonzentrierter Iod-Kathode entwickelt werden, die sich effizient und sicher betreiben lässt. Sie soll zu niedrigen Kosten gefertigt werden und als kleiner (bis 10 Kilowattstunden) bis mittelgroßer (100 bis 200 Kilowattstunden) stationärer Energiespeicher dienen können.

Bislang werden Natrium-basierte Thermalbatterien ausschließlich als Hochtemperatur-Batteriesysteme eingesetzt – etwa Natrium-Schwefel-Thermalbatterien zur stationären Speicherung von Windenergie. Diese zeichnen sich durch eine hohe Effizienz und Lebensdauer, niedrige Kosten und eine hohe Versorgungssicherheit für die Ausgangsmaterialien aus. Weil sie allerdings bei Temperaturen um 300 Grad Celsius betrieben werden müssen, ergeben sich Herausforderungen für einen wirtschaftlichen Einsatz. Die Abdichtung des Gehäuses ist aufwändig und die Batterien verlieren Energie in Form von Wärme. Beides wirkt sich negativ auf die Energiedichte und Kosten des Systems aus.

Daher soll im Projekt MiTemp eine Batterie mit einer deutlich niedrigeren Betriebstemperatur von 100 Grad Celsius entwickelt werden. Ermöglichen sollen das sogenannte NaSICON-basierte keramische Materialien, die als Separator zwischen dem flüssigen Natrium und der Iod-Iodid-Lösung dienen. Durch das feste NaSICON, was für Natrium Super Ionic Conductor – also schneller oder Super-Natrium-Ionen-Leiter – steht, können Natrium-Ionen schon ab 50 Grad Celsius schneller hindurch gelangen als in dem bislang eingesetzten Natrium-beta-Aluminat. Zudem ist das Material einfacher und damit preiswerter herstellbar sowie chemisch deutlich beständiger gegenüber der wässrigen Iod-Kathode. Außerdem können durch die niedrigeren Betriebstemperaturen teilweise preiswertere Kunststoffe für das Zellgehäuse eingesetzt und das Gehäuse einfacher abgedichtet werden.

Damit sich die NaSICON-basierten Separatoren einsetzen lassen, müssen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler noch verschiedene Herausforderungen meistern. So müssen sie die richtige Zusammensetzung finden, um eine bestmögliche ionische Leitfähigkeit bei gleichzeitig höchstmöglicher chemischer Beständigkeit gegenüber der Kathodenflüssigkeit zu erreichen. Des Weiteren müssen sie einen Weg finden, den Separator möglichst gut mit dem flüssigen Natrium-Metall zu benetzen.

Ein bipolarer Aufbau der Batterie bietet zusätzliches Potenzial, um Kosten einzusparen. Dabei werden Einzelzellen direkt aufeinandergestapelt und in Reihe geschaltet. Ein solcher Aufbau reduziert aufwändiges Zellpackaging und liefert Spannungen, die sich aus der Anzahl der gestapelten Einzelzellen ergeben. Zusätzlich wird die Verbindungstechnik stark vereinfacht, da die Elektrodenträgerfolien selbst als großflächige Zellverbinder fungieren. Außerdem werden höhere Energiedichten ermöglicht und die Herstellung und Skalierbarkeit vereinfacht.

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