Mitteltemperatur-Natriumbatterien mit flüssiger Natriumanode und wässriger Iodkathode

In Kooperation mit den Partnern Forschungszentrum Jülich und Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie soll eine Natriumbatterie mit wässriger Iodkathode entwickelt werden, die bei Temperaturen knapp oberhalb des Natrium Schmelzpunktes betrieben werden kann. Dazu ist das Verständnis der elektrochemischen Vorgänge innerhalb der Batterie essenziell. Eine in diesem Teilprojekt durchgeführte numerische Simulation kann die experimentell unzugänglichen Größen wie die innere Spannungsverteilung und die Ionentransportvorgänge sichtbar machen. Die Herausforderung liegt darin ein theoretisches, ortsaufgelöstes Batteriemodell zu erarbeiten und dieses in ein Simulationsmodell zu überführen.

Entscheidend für die Effizienz und Funktionsweise der Batterie ist eine möglichst gute anodenseitige Benetzung des keramischen Separators mit flüssigen Natrium. Die genauere Untersuchung des Benetzungsvorganges ermöglicht potentielle Verfahren und Oberflächenbehandlungen zur verbesserten Benetzung zu identifizieren. Dazu erfolgt eine numerische Simulation des Benetzungsvorganges mithilfe der Open-Source CFD-Software OpenFOAM®. Ziel ist es hierbei eine vom Natrium-Ionenstrom abhängige Benetzungskinetik abzuleiten.

Ausschlaggebend für die Leistungsfähigkeit der Batterie ist zudem die chemische Zusammensetzung und Geometrie der wässrigen Kathodenseite. Dazu wird parallel zu den experimentellen Untersuchungen in den anderen Teilvorhaben ein makroskaliges Batteriesimulationstool entwickelt. Mit einem ortsaufgelösten Batteriemodell ist es möglich die Auswirkungen auf charakteristische Eigenschaften wie z. B. die Stromdichteverteilung zu ermitteln. Ziel ist es das Zelldesign für die Natriumbatterie zu optimieren und die gewonnenen Erkenntnisse direkt in die Entwicklung eines Prototyps einfließen zu lassen.

Die Möglichkeit Natrium-Batteriesysteme bei mittlerer Temperatur zu betreiben dehnt den Anwendungsbereich dieser vielversprechenden Technologie weiter aus. Hochtemperatur-Natriumbatterien (v.a. Natrium/Schwefel) zeichnen sich durch eine hohe Effizienz und Lebensdauer, niedrige Kosten und hohe Versorgungssicherheit der Ausgangsmaterialien aus. Niedrigere Betriebstemperaturen senken zum einen die Herstellungskosten durch preisgünstigere Materialien und verringern die thermischen Verluste. Somit steigt die Effizienz des Batteriesystems und der Einsatz für kleinere Speichereinheiten ist wirtschaftlich. Im Rahmen der Förderrichtlinie soll hiermit der Schwerpunkt „zukünftige Batteriesysteme“ adressiert werden. Mitteltemperatur-Natriumbatterien sind in der Lage den im Zuge des Ausbaus erneuerbarer Energien steigenden Bedarf an Energiespeichern zu bedienen. Die in diesem Teilprojekt entwickelten Simulationsmodelle leisten einen wesentlichen Beitrag zum Aufbau eines Prototyps, der für die Etablierung dieser Batterietechnologie unabdingbar ist.