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Modelling of mass transfer and electrode kinetics in liquid metal batteries

Subject Area Fluid Mechanics
Term from 2017 to 2021
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 338560565
 
Final Report Year 2021

Final Report Abstract

Flüssigmetallbatterien werden seit einiger Zeit als preisgünstige und langlebige stationäre Energiespeicher diskutiert. Sie sind potentiell ideal geeignet, um stark schwankende erneuerbare Energien wie Wind und Sonne z.B. zwischen Tag und Nacht auszugleichen. Fluüssigmetallbatterien bestehen aus einer stabilen Dichteschichtung zweier flüssiger Metalle, die durch eine Salzschmelze voneinander getrennt sind. Die ionenleitende Salzschicht dient dabei als Elektrolyt. Während des Entladens legiert das Anodenmetall der Zelle mit dem Kathodenmetall. Die dabei entstehenden Konzentrationsgrenzschichten senken die Zellspannung. Letzteres lässt dich durch ein Rühren bzw. Durchmischen der Kathode durch den gezielten Einsatz von Strömungsphänomenen vermeiden. In diesem Projekt wurde eine 3-dimensionales elektrochemisches Modell der Batterien entwickelt, und in der open-source Software OpenFOAM implementiert. Das Modell wurde mit einem Strömungs-Löser gekoppelt, und umfangreich mittels Experimenten, anderer Simulationssoftware und analytisch validiert. Als Anwendungsfall wurden besonders Li||Bi Flüssigmetallbatterien betrachtet. Aus der Vielzahl der möglichen Strüomungsphänomene wurde die durch den Zellstrom induzierte Elektrowirbelströmung, sowie solutale und thermische Konvektion schwerpunktmäßig untersucht. Eine gute Durchmischung ist besonders in der Kathode der Batterie von hoher Bedeutung. Es konnte gezeigt werden, dass solutale Konvektion während des Ladens, bzw. die stabile Dichteschichtung während des Entladens das Strömungsregime der Kathode dominiert. Thermische Konvektion ist dagegen vernachlässigbar. Entsprechend ist die Kathode während des Ladens der Zelle immer gut durchmischt - und es treten dabei nur sehr geringe Konzentrationsüberspannungen auf. Die Herausforderung ist damit die Durchmischung während des Entladevorgangs. Elektrowirbelströmung ist für diese Anwendung generell geeignet, aber oft nicht stark genug. Die beste bekannte Option ist die Induktion einer azimutalen Strömung. Diese ist ausreichend kräftig, um die Kathode gut zu durchmischen. Die dafür erforderlichen azimutalen Lorentzkräfte können induziert werden, indem ein vertikales Magnetfeld an die Batterie angelegt wird. Dieses kann z.B. aus einer oder mehrerer Leitschleifen oder potentiell auch durch eine geschickte Verlegung der Zuleitung induziert werden.

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