Eine Flüssigbatterie für die Energiewende

Ein US-Start-up will mit Hilfe von heißen geschmolzenen Metallverbindungen einen billigen Energiespeicher für Strom etablieren. Zu den Investoren gehören Bill Gates und der französische Ölkonzern Total.

Die Arbeitsräume von Liquid Metal Battery (LMBC) erinnern an eine klassische Metallwerkstatt. Von Hightech-Laboratmosphäre keine Spur: Statt einer Vakuumkammer, in die hermetisch abgedichtete Greifarme hineinragen, gibt es eine Bandsäge, eine Metallbohrmaschine und eine Schweißstation. In der Ecke steht ein Brennofen, wie man ihn aus Töpfereien kennt. Auch die Batterien, an denen das Start-up aus Cambridge arbeitet, verraten nicht die ausgeklügelte Chemie, die in ihnen steckt: Im Moment sind es schlichte Stahldosen, in die aus großen Trögen ein Pulver umgefüllt wird. Die Zentrale einer MIT-Ausgründung stellt man sich anders vor.

Die Schlichtheit ist jedoch Absicht. LMBC hat sich vorgenommen, möglichst kostengünstige Batterien zu entwickeln, die eines Tages überschüssige Windenergie speichern sollen. Zu Spitzenlastzeiten könnten sie dann Energie zurück in das Stromnetz einspeisen und so den Ertrag aus erneuerbaren Energiequellen ergänzen. Diese Idee verfolgen zwar viele. Doch LMBC kann namhafte Investoren vorweisen: Bill Gates, der französische Ölkonzern Total und die US-Forschungsbehörde ARPA Energy haben bereits Millionen Dollar in das Start-up gesteckt.

LMBC wurde 2010 gegründet. Der eigentliche Betrieb begann jedoch erst vor einem Jahr. Inzwischen ist die Belegschaft auf 17 Mitarbeiter angewachsen. Die Firma will aus den Fehlern lernen, die viele Start-up der ersten Cleantech-Welle in den USA gemacht haben. Die hatten häufig nicht damit gerechnet, dass Energieversorger eher konservativ agieren und sich auf neue Technologien nicht einlassen, solange sie nicht kostengünstiger als bewährte Technologien sind.

Als weiteres Problem entpuppte sich die Skalierung. Konnte man im Labor etwa ein vielversprechendes neues Material für Batterie-Elektroden meistern, stellte sich schnell heraus, dass eine industrielle Fertigung die erhofften Kosteneinsparungen wieder zunichte machte.

Die zweite Welle von Energie-Start-ups – darunter neben Liquid Metal auch 24 M und Aquion – nimmt die Schwierigkeiten von Fertigungsverfahren inzwischen ernster. Liquid Metal setzt erst einmal auf Testmärkte, auf denen sich seine Batterien auch zu höheren Preisen verkaufen lassen, solange eine billigere Produktionsweise für einen Massenmarkt noch nicht ausgereift ist.

Der Name des Start-ups steht für das Grundprinzip seiner Batterien. Eine pulverförmige Substanz wird erhitzt, bis sie sich verflüssigt. In der Flüssigkeit bilden sich dann drei Schichten. Die obere und die untere Schicht dienen als Elektroden, die mittlere als Elektrolyt. Die Materialien zeigen eine hohe elektrische Leitfähigkeit und können rasch aufgeladen oder entladen werden. Strom kann innerhalb von Millisekunden aufgenommen und wieder abgegeben werden, wenn Lastspitzen im Stromnetz es erfordern.

Die Köpfe hinter dem Konzept sind der Chemiker Donald Sadoway und der Materialwissenschaftler Gerbrand Ceder. Die MIT-Forscher hatten die Idee, das Herstellungsprinzip von Aluminium umzukehren. In ihm wird aus dem Rohmaterial Aluminiumoxid elektrisch Aluminium abgeschieden. Gelänge es also, den chemischen Prozess in die entgegengesetzte Richtung laufen zu lassen, müsste sich elektrische Energie gewinnen lassen. Wie das in der Praxis funktioniert, fand schließlich David Bradwell, ein Student in Sadoways Gruppe.

Als Hauptmaterial dient allerdings nicht Aluminium, sondern Magnesium, das mit fünf bis sechs Dollar pro Kilogramm nicht teuer und auf der Erde reichlich vorhanden ist. Die erste der drei Schichten, die sich nach Erhitzen des Pulvers auf 700 Grad Celsius bilden, besteht aus reinem Magnesium – der negativen Elektrode. Als zweite Schicht entsteht ein Salz aus Magnesium, Kalium, Natrium und Chlor – das Elektrolyt. Als drittes bildet sich eine Magnesium-Antimon-Legierung – die positive Elektrode. Das für diese Legierung nötige Antimon ist mit einem Preis von durchschnittlich sieben Dollar pro Kilogramm deutlich billiger als etwa Tellur (24 $/kg) und Wismut (150 $/kg), mit denen ebenfalls experimentiert wurde.

Beim Aufladen werden Elektronen in die obere Magnesium-Elektrode geleitet, woraufhin positiv geladene Magnesiumionen aus der unteren Elektrodenschicht durch den Elektrolyt dorthin wandern. Werden die Elektronen beim Entladen abgegriffen, wandern Magnesiumionen wieder durch den Elektrolyten in die untere Schicht zurück (siehe Grafik). Die Zelle hält Stromdichten von 200 Milliampere pro Quadratzentimeter aus.

Die Gründer von Liquid Metal wollen ihre Batterien in bestehenden Fabriken herstellen lassen. Weil keine eigenen Produktionskapazitäten gebraucht werden, sind keine allzu großen Investitionen nötig. Auch wenn die ersten Batteriemodelle noch teuer sind, hoffen Sadoway und Ceder, mit der raschen Entladung im Millisekunden-Bereich auf Nischenmärkten zu punkten.

Dabei will Liquid Metal von zwei Regelungen profitieren, mit denen die US-Regierung den Ausbau erneuerbarer Energien vorantreibt. Eine erlaubt auch neuen Unternehmen, sich selbst als Energieversorger zu registrieren. Weil so die großen Stromversorger als Mittler mit eigener Marge ausgeschaltet werden, können auch kleine Firmen direkt am Markt Geld verdienen.

Zu dem hat die US-Regulierungsbehörde für Energie (FERC) entschieden, dass für Strom aus Energiespeichern mit kurzen Ladezeiten höhere Preise verlangt werden können. Damit bekommen neue Technologien eine Chance auf dem Energiemarkt, weil die Antwortzeiten herkömmlicher Kraftwerke eher im Bereich einiger Minuten liegen.

Der Erfolg von Liquid Metal Battery hängt allerdings noch an einigen Unwägbarkeiten. Unklar ist, wie haltbar die Flüssigbatterien sind. Bisherige Tests umfassten nur 30 Ladezyklen, nach denen keine Korrosion feststellbar war. Ohne einen erfahrenen Industriepartner wird es wohl nicht möglich sein, eine Produktion im großen Stil zu schaffen – hier soll Total helfen. Und trotz der vergleichsweise niedrigen Anfangsinvestitionen muss mehr Geld her: In den kommenden Wochen will das Start-up Wagniskapitalgeber mit ins Boot holen.

Das Paper:
Bradwell, D. et al.: "Magnesium−Antimony Liquid Metal Battery for Stationary Energy Storage", Journal of the American Chemical Society, 6.1.2012 (nbo)