Forscher der Sandia National Laboratories haben eine neue Klasse von Batterien für geschmolzenes Natrium für die Energiespeicherung im Netzmaßstab entwickelt. Batterien mit geschmolzenem Natrium werden seit vielen Jahren verwendet, um Energie aus erneuerbaren Quellen wie Sonnenkollektoren und Windkraftanlagen zu speichern. Im Handel erhältliche geschmolzene Natriumbatterien, genannt Natrium-Schwefel-Batterien, arbeiten jedoch typischerweise bei 520-660 Grad Fahrenheit. Sandias neue geschmolzene Natriumiodid-Batterie arbeitet stattdessen bei viel kühleren 230 Grad Fahrenheit.
„Wir haben daran gearbeitet, die Betriebstemperatur von Batterien mit geschmolzenem Natrium so niedrig wie physikalisch möglich zu halten“, sagte Leo Small, der leitende Forscher des Projekts. „Es gibt eine ganze Reihe von Kosteneinsparungen, die mit der Senkung der Batterietemperatur einhergehen. Sie können weniger teure Materialien verwenden. Die Batterien benötigen weniger Isolierung und die Kabel, die alle Batterien verbinden, können viel dünner sein.“
Die Batteriechemie, die bei 550 Grad funktioniert, funktioniert jedoch nicht bei 230 Grad, fügte er hinzu. Zu den wichtigsten Innovationen, die diese niedrigere Betriebstemperatur ermöglichten, gehörte die Entwicklung eines sogenannten Katholyten. Ein Katholyt ist ein flüssiges Gemisch aus zwei Salzen, in diesem Fall Natriumjodid und Galliumchlorid.
Grundlagen zum Bauen besserer Batterien
Eine basische Blei-Säure-Batterie, die üblicherweise als Autozündungsbatterie verwendet wird, hat eine Bleiplatte und eine Bleidioxidplatte mit einem schwefelsauren Elektrolyten in der Mitte. Wenn Energie aus der Batterie entladen wird, reagiert die Bleiplatte mit Schwefelsäure, um Bleisulfat und Elektronen zu bilden. Diese Elektronen starten das Auto und kehren zur anderen Seite der Batterie zurück, wo die Bleidioxidplatte die Elektronen und Schwefelsäure verwendet, um Bleisulfat und Wasser zu bilden. Bei der neuen Batterie für geschmolzenes Natrium wird die Bleiplatte durch flüssiges Natriummetall und die Bleidioxidplatte durch eine flüssige Mischung aus Natriumjodid und einer kleinen Menge Galliumchlorid ersetzt, sagte Erik Spoerke, ein Materialwissenschaftler, der arbeitet für mehr als ein Jahrzehnt an Batterien für geschmolzenes Natrium.
Wenn Energie aus der neuen Batterie entladen wird, produziert das Natriummetall Natriumionen und Elektronen. Auf der anderen Seite verwandeln die Elektronen Jod in Jodidionen. Die Natriumionen bewegen sich über einen Separator zur anderen Seite, wo sie mit den Jodidionen reagieren, um geschmolzenes Natriumjodidsalz zu bilden. Anstelle eines schwefelsauren Elektrolyten befindet sich in der Mitte der Batterie ein spezieller Keramikseparator, der nur Natriumionen von einer Seite zur anderen bewegen lässt, sonst nichts.
„In unserem System ist im Gegensatz zu einer Lithium-Ionen-Batterie auf beiden Seiten alles flüssig“, sagt Spoerke. „Das bedeutet, dass wir uns nicht mit Problemen wie dem Material, das komplexe Phasenänderungen durchläuft oder auseinanderfällt, auseinandersetzen müssen; es ist alles flüssig. Grundsätzlich haben diese flüssigkeitsbasierten Batterien keine so begrenzte Lebensdauer wie viele andere Batterien.“
Tatsächlich haben handelsübliche Batterien für geschmolzenes Natrium eine Lebensdauer von 10 bis 15 Jahren, deutlich länger als herkömmliche Blei-Säure-Batterien oder Lithium-Ionen-Batterien.
Langlebige Batterien, die sicherer sind
Sandias kleine Natriumiodid-Batterie im Labormaßstab wurde acht Monate lang in einem Ofen getestet. Martha Gross, eine Postdoktorandin, die seit zwei Jahren an den Laborversuchen arbeitet, hat in diesen acht Monaten mehr als 400 Versuche zum Laden und Entladen der Batterie durchgeführt.
Wegen der COVID-19-Pandemie mussten sie das Experiment für einen Monat unterbrechen und das geschmolzene Natrium und den Katholyten auf Raumtemperatur abkühlen und einfrieren lassen, sagte sie. Gross war froh, dass es nach dem Aufwärmen des Akkus immer noch funktionierte.
Dies bedeutet, dass bei einem groß angelegten Energieausfall, wie es im Februar in Texas geschah, die Natrium-Jodid-Batterien verwendet und dann bis zum Einfrieren abgekühlt werden könnten. Nach der Unterbrechung konnten sie ohne langwierige oder kostspielige Inbetriebnahme und ohne Verschlechterung der internen Chemie der Batterie aufgewärmt, wieder aufgeladen und in den Normalbetrieb zurückgeführt werden, fügte Spoerke hinzu.
Natriumjodid-Batterien sind auch sicherer. Spoerke sagte: „Ein Lithium-Ionen-Akku fängt Feuer, wenn ein Fehler im Inneren des Akkus auftritt, was zu einer unkontrollierten Überhitzung des Akkus führt. Wir haben bewiesen, dass das mit unserer Batteriechemie nicht passieren kann. Unsere Batterie, wenn Sie den keramischen Separator herausnehmen und das Natriummetall mit den Salzen vermischen, passiert nichts. Natürlich funktioniert die Batterie nicht mehr, aber es gibt keine heftige chemische Reaktion oder Feuer.“
Wenn ein Feuer von außen eine Natrium-Jodid-Batterie verschlingt, ist es wahrscheinlich, dass die Batterie bricht und ausfällt, aber sie sollte dem Feuer keinen Brennstoff hinzufügen oder ein Natriumfeuer verursachen, fügte Small hinzu.
Darüber hinaus hat die neue Natriumiodid-Batterie bei 3.6 Volt eine um 40 % höhere Betriebsleistung Spannung als eine handelsübliche geschmolzene Natriumbatterie. Diese Spannung führt zu einer höheren Energiedichte, und das bedeutet, dass potenzielle zukünftige Batterien, die mit dieser Chemie hergestellt werden, weniger Zellen, weniger Verbindungen zwischen den Zellen und insgesamt niedrigere Stückkosten benötigen würden, um die gleiche Menge an Strom zu speichern, sagte Small.
„Wir waren wirklich begeistert, wie viel Energie wir aufgrund des neuen Katholyten, über den wir in diesem Artikel berichten, potenziell in das System stopfen könnten“, fügte Gross hinzu. „Natriumschmelzen-Batterien gibt es seit Jahrzehnten, und sie sind auf der ganzen Welt zu finden, aber niemand spricht jemals über sie. In der Lage zu sein, die Temperatur zu senken und mit einigen Zahlen zurückzukommen und zu sagen, 'Dies ist ein wirklich, wirklich praktikables System' ist ziemlich nett.“
Die Zukunft der Natrium-Jodid-Batterien
Der nächste Schritt für das Natriumiodid-Batterieprojekt besteht darin, die Katholytchemie weiter abzustimmen und zu verfeinern, um die Galliumchlorid-Komponente zu ersetzen, sagte Small. Galliumchlorid ist sehr teuer, mehr als 100-mal so teuer wie Kochsalz.
Das Team arbeitet auch an verschiedenen technischen Optimierungen, um die Batterie schneller und vollständiger aufzuladen und zu entladen, fügte Spoerke hinzu. Eine zuvor identifizierte Modifikation zur Beschleunigung des Batterieladens bestand darin, die geschmolzene Natriumseite des keramischen Separators mit einer dünnen Zinnschicht zu beschichten.
Spoerke fügte hinzu, dass es wahrscheinlich fünf bis zehn Jahre dauern würde, um Natriumiodid-Batterien auf den Markt zu bringen, wobei die meisten verbleibenden Herausforderungen eher die Kommerzialisierung als technische Herausforderungen seien.
„Dies ist die erste Demonstration eines langfristigen, stabilen Zyklens einer Niedertemperatur-Natriumschmelze-Batterie“, sagte Spoerke. „Die Magie dessen, was wir zusammengestellt haben, besteht darin, dass wir Salzchemie und Elektrochemie identifiziert haben, die es uns ermöglichen, bei 230 Grad Fahrenheit effektiv zu arbeiten. Diese Niedertemperatur-Natriumiodid-Konfiguration ist eine Art Neuerfindung dessen, was es bedeutet, eine geschmolzene Natriumbatterie zu haben.“
Die Entwicklung der neuen Natriumbatterie wurde vom Büro des Energieministeriums der Elektrizität Energiespeicherprogramm.