Ein Forschungsteam des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) hat mit Hilfe sogenannter Operando-Röntgenradiographie – also durch Erstellen von Aufnahmen im laufenden Betrieb – nach eigenen Angaben erstmals bislang verborgene Alterungsprozesse von Natrium-Zink-Salzschmelzbatterien beobachten können. Der Technologie wird wegen der reichlich und kostengünstig verfügbaren Rohstoffe großes Potenzial für den Einsatz als stationäre Energiespeicher zugesprochen, bislang erreichte sie aber nicht die für einen praktischen Einsatz erforderliche Stabilität.
Hochtemperaturbatterien benötigen, wie der Name schon sagt, hohe Temperaturen von mehreren Hundert Grad Celsius. Das ist einerseits ein Vorteil, weil die Metalle dann flüssig sind und sich besonders schnell transportieren lassen – gleichzeitig aber macht genau diese Dynamik die Systeme schwer kontrollierbar. Es fehlte bislang „ein klares Verständnis dafür, warum die Zellen im Betrieb so stark an Leistungsfähigkeit verlieren,“ so der HZDR-Forscher Norbert Weber, der als Koordinator des EU-Projekts SOLSTICE verschiedene Natrium-Zink-Speicherkonzepte systematisch untersucht.
Der schnelle Verlust an Effizienz und Lebensdauer ließ sich dem HZDR zufolge bislang nur indirekt erschließen. Mit klassischen elektrochemischen Messungen lässt sich demnach zwar Strom und Spannung erfassen, aber kein vollständiges Bild der Vorgänge im Inneren der Zelle gewinnen. „Unsere Batterie ist vollständig flüssig. Was dort passiert, ist hochdynamisch“, erläutert Martins Sarma, Erstautor der Studie. Eine Batterie könne nicht einfach im Betrieb geöffnet werden. Lasse man sie aber abkühlen, „verändern sich die Strukturen grundlegend.“
Röntgenaufnahmen bei 600 Grad Celsius
Durch Operando-Röntgenradiographie konnte nun aber der Lade- und Entladevorgang einer Natrium-Zink-Salzschmelzbatterie bei rund 600 Grad Celsius direkt verfolgt werden. Von den Ergebnissen erhofft das Team sich wichtige Hinweise für neue, vereinfachte Zellkonzepte für große Energiespeicher.
Die Röntgenradiographie machte Bewegungen von Natrium, Zink und Elektrolyt sichtbar und lieferte „einen unerwartet klaren Blick auf einen Baustein, der in vielen Zellkonzepten als unverzichtbar gilt: den Separator“. Die poröse Trennschicht zwischen den Elektroden soll den direkten Kontakt von Natrium und Zink und damit unerwünschte Nebenreaktionen verhindern. Die Röntgenbilder hätten jedoch gezeigt, dass sich unter Betriebsbedingungen Zink im Bereich des Separators ansammeln kann, wo es dann den elektrischen Kontakt zur Elektrode verliert: „Man kann sich das wie ein Sieb vorstellen, in dem sich das Material festsetzt“, erklärt Natalia Shevchenko, die sich am HZDR mit elektrochemischen Energiespeichern und deren Analyse befasst: „Mit der Zeit geht immer mehr aktives Zink verloren. Ein Mechanismus, der die Alterung der Zellen erstmals physikalisch erklärbar macht.“
Eine Lösung des Problems ist den Angaben zufolge einstweilen nicht in Sicht: Zwar sei in Experimenten ohne Separator beobachtet worden, dass sich Zink dann nicht mehr festsetzt. Ohne den Separator aber konnten sich Natrium und Zink leichter begegnen, wodurch die Selbstentladung der Batterie zunahm.
Das Team arbeitet nun an Verbesserungen des Zellkonzepts mit dem Ziel, den Stofftransport zwischen den flüssigen Phasen besser zu kontrollieren, ohne auf komplexe oder kostenintensive Bauteile angewiesen zu sein. Das langfristige Ziel seien „robuste, einfache und wirtschaftliche Lösungen“, um den praktischen Einsatz der Technologie im großen Maßstab doch noch zu ermöglichen.
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