MiTemp: Forschung an neuen Mitteltemperatur-Thermalbatterien

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Die Initiative „Batterie 2020“ fördert die Batterieforschung, wozu auch neue Batterietypen gehören. Ein Beispiel sind Mitteltemperatur-Thermalbatterien auf Natrium-Basis, die als stationäre Stromspeicher interessant sind. Im Gegensatz zu herkömmlichen Thermalbatterien müssen sie nicht im Hochtemperaturbereich betrieben werden. Sie werden im Projekt MiTemp erforscht.

Die Nachteile heutiger Thermalbatterien

Normalerweise werden Thermalbatterien auf Natrium-Basis nur als Hochtemperaturbatterie eingesetzt. Ein Beispiel dafür sind Natrium-Schwefel-Thermalbatterien, die Windenergie speichern. Solche Batterien sind sehr effizient und langlebig, kosten wenig und basieren auf gut verfügbaren Rohstoffen. Sie müssen allerdings bei rund 300 Grad betrieben werden, damit die Aktivmaterialien der Elektroden bzw. der Elektrolyt leitfähig werden und/oder schmelzen. Das stellt hohe Anforderungen an die Dämmung der Gehäuse. Ein weiteres Problem ist der Wärmeverlust. Das alles macht Thermalbatterien teurer und verringert ihre Energiedichte.

Die Mitteltemperatur-Thermalbatterie als Alternative

Im Verbundprojekt MiTemp, das im Rahmen von „Batterie 2020“ von Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert wird, entwickeln Forscher und Forscherinnen eine Mitteltemperatur-Thermalbatterie. Sie besteht aus einer flüssigen Natrium-Metall-Anode und einer wässrigen, hochkonzentrierten Iod-Kathode. Diese Batterie soll sich günstig herstellen lassen und kommt als kleiner bis mittelgroßer stationärer Stromspeicher in Frage. Ihre Kapazität liegt zwischen 10 und 200 Kilowattstunden. Die Betriebstemperatur soll 100 Grad Celsius betragen und liegt somit deutlich unter heutigen Thermalbatterien.

Das wollen die Forscher erreichen, indem sie sogenannte NaSICON-basierte keramische Materialien als Separator zwischen dem Natrium und der Iod-Iodid-Lösung einsetzen. NaSICON steht für „Natrium Super Ionic Conductor“, also Super-Natrium-Ionen-Leiter. Dieser Separator lässt Natrium-Ionen schon ab 50 Grad Celsius schneller hindurch als die heutigen Separatoren in Thermalbatterien. Außerdem ist dieser Separator chemisch beständiger und lässt sich einfacher herstellen. Die niedrigere Betriebstemperatur der Batterie ermöglicht es, günstigere Kunststoffe für das Gehäuse zu nutzen.

Noch sind die Forscher nicht am Ziel, denn für den Einsatz der NaSICON-Separatoren müssen sie noch diverse Probleme lösen. Unter anderem müssen sie die richtige Zusammensetzung für bestmögliche Leitfähigkeit bei höchstmöglicher Beständigkeit gegenüber der Kathodenflüssigkeit finden. Auch die gute Benetzbarkeit des Separators mit dem Natrium-Metall stellt eine Herausforderung dar.

Bipolarer Aufbau

Außerdem geht es in MiTemp um einen bipolaren Aufbau der Mitteltemperatur-Thermalbatterie. Bei diesem Aufbau werden die Zellen direkt übereinandergestapelt und in Reihe geschaltet. Dadurch erreicht man Spannungen, die sich nach der Anzahl der gestapelten Einzelzellen richten. Aufwendiges Zellpackaging wird ebenfalls vermieden. Dieser Aufbau vereinfacht zudem die Verbindungstechnik und die Herstellung bzw. Skalierbarkeit, auch die Energiedichte der Batterie erhöht sich.

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