Performance of Na-based Liquid Metal Batteries and related Corrosion Issues
Creators: name: Zhang, Tianru
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2023
Subjects: Liquid Metal Battery
Liquid Metal Corrosion
Materials
Na
Sb-Sn
Sb-Bi
Electrical Energy Storage

description: Flüssigmetallbatterien (LMBs) werden als vielversprechende Kandidaten für die stationäre Speicherung elektrischer Energie in großem Maßstab zu vergleichsweise moderaten Kosten diskutiert. Sie haben eine Reihe von Vorteilen gegenüber Festkörperbatterien, wie z.B. geringere Herstellungskosten und eine grundsätzlich unbegrenzte Zyklenanzahl aufgrund des Fehlens von Mikrostrukturveränderungen und Dendritenwachstum. Weitere Vorteile sind die höhere Sicherheit und die geringeren Anforderungen an das Wärmemanagement. Der Schwerpunkt der Arbeiten lag auf der Kompatibilität der Strukturmaterialien mit den aktiven Zellkomponenten (Salzschmelze-Elektrolyt und zwei Flüssigmetall-Elektroden) und der Leistungsfähigkeit der zusammengebauten Zellen, einschließlich Post-Mortem-Studien der Strukturmaterialien der Zelle. Als Elektrolyt wurde LiCl-NaCl-KCl gewählt, als Elektrodenmaterialien Na und Sb-Bi oder Sb-Sn. Die statischen Korrosionstests von negativen Stromkollektor- (NCC) und elektrischen Isolatormaterialien bestätigen in Verbindung mit dem Kostenfaktor, dass die geeignetsten Kandidaten für elektrische Isolatormaterialien Oxidkeramik (Al\textsubscript{2}O\textsubscript{3} und MgO) sind, während Cu und Invar-Legierungen die beste Wahl für NCC-Materialien darstellen. Die statischen Korrosionstests der positiven Stromkollektormaterialien (PCC) bestätigen nicht nur, dass der schwerste Korrosionsangriff von der positiven Elektrode ausgelöst wurde, sondern zeigen auch, dass Sb-Sn-Legierungen aggressiver und korrosiver sind als Sb-Bi-Legierungen. Außerdem zeigen die Ergebnisse, dass die Stählen als PCC für Kurzzeitanwendung möglich, während Mo-Metall und MAX-Phasen-Beschichtungen die beste Wahl für PCC sind. Unter Berücksichtigung des Kostenfaktors könnte jedoch die Beschichtung von reinem Mo-Metall oder MAX-Phasen auf einem geeigneten Substrat die wirtschaftlich vernünftigste und praktikabelste Methode sein. Zwei Celldesigns (Zellen mit Ni-Schaum als Na-Wirt und ohne Schaum) von Na $\|$ SbBi\textsubscript{9} Zellen wurden erfolgreich realisiert, die elektrochemischen Eigenschaften dieser Na-basierten LMB-Zellen wurden durch verschiedene Messungen bewertet. Galvanostatische intermittierende Titrationstests (GITT) zeigen, dass der Diffusionskoeffizient von Na-basierten LMB-Zellen (im Bereich von $10^{-6}$ bis $10^{-4}$~\unit{\square\cm\per\second}) im Vergleich zu Natrium-Ionen-Batterien (SIBs) um mindestens fünf Größenordnungen größer ist. Der extrem niedrige Ladungstransferwiderstand (Maximalwert:~9~\unit{\mohm}) von Na-basierten LMB-Zellen wurde durch elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) nachgewiesen. Galvanostatische Zyklen mit Potentialbegrenzung (GCPL)-Tests zeigen, dass sowohl Zellen mit Ni-Schaum als auch ohne Schaum eine geringe Selbstentladungsrate (Selbstentladestrom im Bereich zwischen 13 und 16.5~\unit{\mA}) während der gesamten Testzeit aufweisen. Darüber hinaus könnte die Anwendung dieser Art von LMB-Zellen im Bereich der Stromversorgung aufgrund ihrer maximalen anwendbaren Entladestromdichte von 600~\unit{\mA/\cm^{2}} eingeschränkt sein. Da beide Zelldesigns einen normalen Betrieb nur bis zu 1200~\unit{\hour} aufrechterhalten konnten und bei beiden Zelldesigns ein deutlicher Kapazitätsabbau zu beobachten war, wurde der Korrosionsangriff auf die Zellgehäuse (Fe-Cr-Ni-Stahl) nach dem Zellbetrieb untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass der Korrosionsangriff hauptsächlich durch die positive Elektrode verursacht wird. Sowohl die Korrosionsrate (0,037~\unit{\um/\hour}) als auch die Korrosionsprodukte auf dem Zellengehäuseboden stimmen mit den Ergebnissen für Fe-Cr-Ni-Stähle bei statischen Korrosionstests in Sb-Bi-Legierungen überein. Um den Einfluss der Korrosion auf die Leistungsfähigkeit der Zelle zu untersuchen, wurden Zellen mit Mo-Tiegel als PCC-Material gebaut. Vergleicht man die Langzeitzyklentests und die Nachbewertung des Zellgehäuses von Zellen ohne Mo-Tiegel mit denen von Zellen mit Mo-Tiegel als Korrosionsschutzmethode, lässt sich leicht feststellen, dass der Korrosionsangriff auf PCC nachteilige Auswirkungen auf die Zellleistung hat (viel schnellere Kapazitätsabbaurate). Daher sollte die Korrosion an PCC-Materialien von LMB-Zellen für eine langfristige industrielle Anwendung durch technische Korrosionsschutzmaßnahme vermieden werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Na-basierte LMBs weiter untersucht werden sollten, um der immer ernster werdenden Herausforderung zu begegnen, geeignete Alternativen für Energiespeichersysteme im Netzmaßstab zu finden.