Membrane free liquid metal batteries for grid scale energy storage

Sol og vindkraft er miljøvennlige og fornybare kraftressurser som bygges ut i raskt tempo. Den store utfordringen er at denne typen energiproduksjonen er væravhengig og derfor vanskelig å tilpasse til forbruket. For å kunne lagre strøm i så stor skala at det får betydning på strømnettet må vi tenke helt nytt, og pris blir viktigere enn størrelse og vekt. Vårt konsept går derfor helt tilbake til start, og satser på batterier laget av flytende metaller og smeltet salt. Dette er billige råmaterialer som gjør at om konseptet blir vellykket så kan vi bygge ut stor lagringskapasitet uten at det blir for dyrt. I løpet av de to første årene i prosjektet så har det vært en post.doc, Junli Xu som har vært ansatt ved NTNU som har jobbet tett sammen med forskerne i SINTEF. Fokuset i denne perioden har vært å bekrefte at ideen bak konseptet fungerer, å utføre studier på hvilke materialer som egner seg til konstruksjon og oppbygging av batteriet, samt å vurdere priser og tilgjengelighet av disse materialene. Det har i løpet av denne perioden blitt kjørt flere 10-talls batteriforsøk samt rene materialtestingsforsøk på siden av disse. Der har vi dannet et solid bilde over muligheter og begrensninger innenfor konseptet. Disse resultatene har så langt gitt grunnlag for to manuskript til faglige tidsskrifter hvorav ett er godkjent, og ett er i godkjenningsprosessen nå. I løpet av våren 2016 fikk vi en positiv tilbakemelding etter midtveisevalueringen med forskningsrådet og grønt lys for å bevege oss over i fase 2 av prosjektet, hvor vi basert på alle erfaringer vi har høstet i fase 1 om materialvalg, kjemiske sammensetninger og muligheter skal gjøre forsøk som er ett hakk større. Dette har vi nå jobbet med de to siste årene av prosjektet, og det er kjørt mange spennende forsøk. Forsøkene viser at batteriets prinsipp fungerer - det lader og lader ut. En vedvarende utfordring har vært å holde på natrium-metall i systemet, da natrium har en tendens til å fordampe lett. Siste delen av prosjektet gikk dermed med på å teste forskjellige designvariasjoner for å hindre natrium i å fordampe. Den beste tilnærmingen ser ut til å være å ha minst mulig åpent volum over Na, noe som er litt vanskelig i liten lab-skala, men vil bli lettere i større enheter. En annen viktig del av prosjektet har vært å komme i kontakt med andre forskningsmiljøer som forsker på tilsvarende teknologi. Vi hadde allerede før prosjektet kontakt med MIT og Donald Sadoway, og i løpet av prosjektet har vi hatt tid til å ytterligere styrke denne kontakten med gjensidige besøk på workshops. Nå sist når Professor Donald Sadoway kom og hold åpningsinnlegget på vår workshop i Trondheim med tittelen "High Temperature Batteries for Stationary Energy Storage". På denne workshopen kom det totalt 38 deltagere fra 9 forskjellige land, hvorav 7 europeiske land. Vi har fått mange kontaktpunkt med forskere som jobber med tilsvarende teknologier, og håper på å få til fremtidige internasjonale samarbeid. I tillegg har vi i prosjektet fått ferdigstilt en del resultater slik at disse har kunne publiseres. Dette har resultert i at vi totalt har fått 3 artikler publisert, og holdt mange muntlige presentasjoner gjennom prosjektet. Arbeidet i prosjektet har gitt oss mye ny innsikt, og lovende resultater som er en god ballast å ta med og bygge videre på i nye prosjekter. For øyeblikket ønsker vi å rette oss mot EU-prosjekter for å bidra til at vi får etablert et europeisk miljø innenfor dette feltet, og for å få sjansen til å samarbeide med, og lære av, de miljøene innenfor høytemperaturbatterier som allerede er spredt rundt i Europa.

Large scale energy storage is becoming progressively more important for grid balancing with the increased use of renewable energy sources such as wind, wave and solar in the European power grid. The new energy sources have a more unpredictable power outpu t than conventional power plants and hence require very flexible and efficient energy storage systems. Currently, there are several technologies suggested for large scale energy storage including pumped storage hydroelectricity, hydrogen, flywheels and va rious types of batteries but each have their specific limitations and drawbacks and are not applicable in every situation. Today none of the existing technologies can offer sufficient flexible storage at an affordable price. Liquid metal batteries can pr ovide such as a solution due to their very high current density if the cost of production can be reduced and the safety significantly improved. Therefore, in this project, we will revive research in the area of liquid metal batteries by the introduction of the novel concept of producing a "membrane-free" molten salt battery. The exclusion of the brittle, expensive beta-alumina ion selective membrane and its replacement with a cheap durable diaphragm material will significantly improve both performance a nd reduce the cost level of liquid metal batteries. Furthermore, the choice of tailored electrolytes and electrodes will ensure a safe battery system, which in the unlikely event of mechanical failure will discharge without any undesired effects such as fire or explosion. In addition, the electrolyte, electrodes and diaphragm material chosen are relatively abundant, cheap materials with low environmental impact. The successful implementation of these new concepts to the liquid metal battery will result i n a system which is considerably cheaper to produce, has higher current density and is a substantially safer than current molten battery systems.