Wenn der Strom aus Wind und Sonne nicht gebraucht wird, muss er irgendwo gespeichert werden. Große Batterien, die fest in Stromnetze eingebaut sind, könnten diese Energie aufnehmen – möglichst günstig, sicher und langlebig. Doch viele solcher Speicher verlieren im Betrieb schneller an Leistung als erwartet. Forschende aus Dresden haben jetzt untersucht, warum.
Das Team vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) hat eine besondere Art von Batterie untersucht: die Natrium-Zink-Salzschmelzbatterie. Sie arbeitet bei rund 600 Grad Celsius. Bei dieser Hitze sind die Metalle Natrium und Zink flüssig. Dadurch können sie sich besonders gut im Inneren bewegen und schnell reagieren. Das macht die Batterie leistungsfähig, aber auch schwer zu kontrollieren. "Diese Systeme haben großes Potential, weil Natrium und Zink günstig und gut verfügbar sind", sagt Dr. Norbert Weber, der das EU-Projekt SOLSTICE am HZDR koordiniert. "Gleichzeitig fehlte bisher ein klares Verständnis dafür, warum die Zellen im Betrieb so stark an Leistungsfähigkeit verlieren."
Schauen, ohne zu öffnen
Das Problem: Eine Batterie, die bei 600 Grad läuft, kann man nicht einfach aufschrauben. Wenn sie abkühlt, verändern sich allerdings die Strukturen im Inneren. „Unsere Batterie ist vollständig flüssig. Was dort passiert, ist hochdynamisch", erklärt Martins Sarma, Erstautor der Studie. „Wir können eine Batterie im Betrieb aber nicht einfach öffnen, um nachzuschauen."
Die Lösung sind Röntgenstrahlen. Mit einer Methode namens Operando-Röntgenradiographie, also einer Röntgenaufnahme während die Batterie läuft, schaute das Team erstmals direkt in die aktive Zelle. Die Bilder zeigten, wie sich Natrium, Zink und die heiße Salzschmelze im Inneren beim Laden und Entladen bewegen.
Der Separator als Schwachstelle
Im Inneren der Batterie sitzt ein sogenannter Separator, eine poröse Trennschicht. Sie soll verhindern, dass Natrium und Zink direkt aufeinandertreffen und sich unkontrolliert verbinden. Doch genau dieser Separator kann unter den hohen Temperaturen zum Problem werden. Dr. Natalia Shevchenko, die am HZDR Batterien untersucht, beschreibt es so: "Man kann sich das wie ein Sieb vorstellen, in dem sich das Material festsetzt. Mit der Zeit geht immer mehr aktives Zink verloren." Das Zink sammelt sich im Separator an und verliert den Kontakt zur Elektrode. Es kann dann nicht mehr zur Stromspeicherung beitragen. Die Batterie altert schneller.
Weitere Experimente zeigten: Ohne Separator bleibt das Zink beweglicher. Allerdings entlädt sich die Batterie dann teilweise selbst, also auch ohne angeschlossenen Verbraucher, weil Natrium und Zink leichter miteinander reagieren können. Die Ergebnisse zeigen, dass der Separator kein harmloses Bauteil ist, sondern großen Einfluss auf Lebensdauer und Effizienz hat.
Nun arbeitet das HZDR-Team daran, den Aufbau der Batterie zu optimieren und die Bewegungen der flüssigen Bestandteile besser zu steuern. Ziel sind robuste und bezahlbare Großbatterien, die eines Tages große Mengen Wind- und Solarstrom zuverlässig speichern können.
Originalpublikation:
M. Sarma, N. Shevchenko, N. Weber, T. Weier, Operando characterisation of Na-Zn molten salt batteries using X-ray radiography: insights into performance degradation and cell failure, in Energy Storage Materials, 2025.
