Flüssig

Jul 15, 2023

Die Kosten sind eine entscheidende Variable für jede Batterie, die als praktikable Option für die Speicherung erneuerbarer Energien im Netz dienen könnte. Eine Analyse von Forschern des MIT hat gezeigt, dass die Energiespeicherung nur 20 US-Dollar pro Kilowattstunde kosten müsste, damit das Netz vollständig mit Wind und Sonne versorgt würde. Laut einem Bericht des Pacific Northwest National Laboratory kostet ein vollständig installiertes 100-Megawatt-Lithium-Ionen-Batteriesystem mit 10-Stunden-Netzspeicherung derzeit etwa 405 US-Dollar/kWh. Nun könnte jedoch eine Flüssigmetallbatterie, deren realer Einsatz im Jahr 2024 geplant ist, die Energiespeicherkosten erheblich senken.

Donald Sadoway, ein Materialchemiker und emeritierter Professor am MIT, hat bei seinen vielen Batterieerfindungen im Laufe der Jahre, darunter auch einer kürzlich erschienenen Aluminium-Schwefel-Batterie, die Erschwinglichkeit an erster Stelle gehabt. Niedrige Kosten motivierten auch die Flüssigmetallbatterie, die geschmolzene Metallelektroden und einen geschmolzenen Salzelektrolyten enthielt, die er erfand und die er 2010 durch die Mitgründung des Startups Ambri auf den Markt brachte.

Laut Angaben des Unternehmens kostet die Netzbatterie von Ambri je nach Größe und Dauer 180 bis 250 US-Dollar/kWh. Laut einem Artikel, den Sadoway und Kollegen im Oktober 2021 in der Zeitschrift Renewable and Sustainable Energy Reviews veröffentlicht haben, belaufen sich die prognostizierten Kosten bis 2030 jedoch auf etwa 21 US-Dollar/kWh. Und das Unternehmen aus Marlborough, Massachusetts, steht nun vor der Installation seiner ersten Versorgungsanlage. Ambri und das Versorgungsunternehmen Xcel Energy werden Anfang 2024 mit der Installation eines 300-kWh-Systems in Aurora, Colorado, beginnen; Das System sollte bis Ende des Jahres vollständig betriebsbereit sein.

Die geringeren Kosten der Flüssigmetallbatterie sind auf einfachere Materialien, Chemie und Systemdesign im Vergleich zur Lithium-Ionen-Batterie sowie auf ihre längere Lebensdauer zurückzuführen, sagt Sadoway. „Das Konzept einer Flüssigmetallbatterie macht sie einzigartig für die stationäre Speicherung. Im Gegensatz zu Lithium ist es nicht brennbar. Und es ist resistent gegen Kapazitätsverlust. Wir verfügen über Daten zu Tausenden von Ladezyklen, also Betriebsjahren. Dieses Ding sollte 20 Jahre halten und immer noch 95 Prozent seiner Kapazität behalten. Ich würde Sie einladen, jemanden zu finden, der über eine betriebsbereite 20 Jahre alte Lithium-Ionen-Batterie verfügt.“

Herkömmliche Batterien bestehen typischerweise aus zwei festen Elektroden – Graphit und einem Lithiummetalloxid im Fall von Lithium-Ionen-Batterien – und einem flüssigen Elektrolyten sowie Separatoren, Membranen und anderen kostensteigernden Elementen. Während der Lade- und Entladezyklen dehnen sich die festen Materialien aus und ziehen sich zusammen, wenn Ionen aus dem Elektrolyten in die Elektroden hinein- und wieder herausfließen. Wiederholte Volumenänderungen brechen die Partikel mit der Zeit auseinander, was dazu führt, dass die Batteriekapazität nachlässt.

Die Flüssigmetallbatterie von Ambri besteht aus drei Flüssigkeitsschichten, die je nach Dichte übereinander gestapelt sind. Die dichteste, eine Kathode aus geschmolzenem Antimon, befindet sich unten, die Anode aus einer leichten Calciumlegierung befindet sich oben und der Elektrolyt aus Calciumchloridsalz mittlerer Dichte befindet sich in der Mitte. „Denken Sie an Salatöl und Essig“, sagt Sadoway, „außer dass es hier drei Schichten gibt, die sich trennen, weil sie nicht mischbar sind.“

Das Flüssigmetall-Design erfordert weniger Komponenten und die Chemie basiert auf Legierungen, sodass es nicht zu einer Zersetzung des Feststoffmaterials kommt, sagt Sadoway. Während der Entladung setzt die Kalziumanode Kalziumionen frei, die durch den Elektrolyten zur Kathode wandern und dort eine Kalzium-Antimon-Legierung bilden. Beim Laden kehrt sich der Vorgang um. „Es gibt keine Membran, keinen Separator“, sagt Sadoway. „All diese Elemente der Einfachheit gehen Hand in Hand mit der Belastbarkeit.“

Als IEEE Spectrum vor zehn Jahren erstmals über Ambri berichtete, spielte das Unternehmen mit Lithium oder Magnesium als Anode. Die Umstellung auf Kalzium diente laut Sadoway dazu, die Kosten niedrig zu halten.

Ein Nachteil der neuartigen Chemie der Batterie war jedoch der lange Weg bis zum Einsatz. „Als wir uns auf den Weg zur Kommerzialisierung machten, gab es niemanden, auf den wir uns verlassen konnten“, sagt Sadoway. „All die fantastischen Fortschritte, die in der Lithium-Ionen-Herstellung gemacht wurden, sind in diesem Fall so gut wie nicht anwendbar. Die Chemie ist anders, der Formfaktor ist anders. Wir mussten also alles erfinden, auch die Fertigungsmaschinen.“

Das Unternehmen hat nun einen Großauftrag für Batterien von Microsoft erhalten, das in seinen Rechenzentren auf Dieselgeneratoren als Backup-Energiequellen verzichten will. Letztes Jahr hat Microsoft den Akku von Ambri getestet.

„Dieses Ding sollte 20 Jahre halten und immer noch 95 Prozent seiner Kapazität behalten. Ich würde Sie einladen, jemanden zu finden, der über eine betriebsbereite 20 Jahre alte Lithium-Ionen-Batterie verfügt.“–Donald Sadoway, Mitbegründer von Ambri

Da Ambri expandiert, muss das Unternehmen eine stetige Versorgung mit Antimon sicherstellen. Laut Investor Intel stammen heute fast 90 Prozent des weltweiten Antimons aus China, Russland und Tadschikistan. Im August 2021 unterzeichnete Ambri einen Liefervertrag mit Perpetua Resources, einem der wenigen US-amerikanischen Antimonproduzenten.

Molten Metals Corp., ein kanadisches Mineralexplorationsunternehmen, verfolgt ebenfalls die Antimonproduktion in Nordamerika. Das Unternehmen besitzt Mineralrechte an einer Antimonmine in Nova Scotia, die seit den 1960er Jahren aufgegeben wurde. Brooklyn Reed, Vertreter von Molten Metals, sagt, dass das Unternehmen mit bestehenden Landbesitzern zusammenarbeitet, um den Bergbaubetrieb wieder aufzunehmen.

„In Nordamerika gibt es Antimon; Man findet es nicht nur in China“, sagt Sadoway. „Man sucht nicht ständig nach weiteren Ressourcen, wenn man den Marktbedarf gedeckt hat. Wir können den Bedarf an Antimon vorerst decken und das Angebot könnte mit dem Wachstum Schritt halten. Wenn dieser Bedarf wächst, können wir dazu übergehen, nach größeren Quellen zu suchen. Wir fordern nicht mehr, als in der Erdkruste vorhanden ist.“