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Flüssigmetallbatterien, oder: Wie man Erfinder entwickelt

Von / 25. März 2014 / 12 Kommentare
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Seit einiger Zeit laufe ich beinahe täglich an den Labors von Professor Donald Sadoway vorbei, einem Materialwissenschaftler am Massachusetts Insitute of Technology, der 2012 vom Magazin Time zu den 100 einflussreichsten Persönlichkeiten der Welt gezählt wurde. Aktuell hatte ich nun die Gelegenheit, Sadoway für eine Magazin-Geschichte (die ich erst noch schreiben muss – dass ich darüber blogge, ist eine Form, mich vor der eigentlichen Arbeit zu drücken) zu treffen und mt ihm unter anderem über sein Projekt der Flüssigmetall-Batterie zu reden. Statt des Gesprächs (das gehört meinem Auftraggeber) biete ich hier einen TED-Vortrag von Sodoway an, in dem es nicht nur darum geht, ein drängendes technisches Problem zu lösen, sondern auch darum, wie man aus Studentinnen und Studenten Menschen macht, die Probleme lösen können:

Es wird niemanden, der sich die 15 Minuten dieses Vortrags angeschaut hat, wirklich überraschen, dass Sadoway auch einer der beliebtesten Lehrer am MIT ist. Wie, das muss ich noch beweisen? Bitteschön, hier ist ein Clip, wie er traditionell seine Vorlesung zur Einführung in die Festkörperchemie beendet (der Kurs is übrigens, im Rahmen der MIT Open Courseware, hier auch online frei verfügbar). Man beachte auch die Reaktionen der Studentinnen und Studenten:

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Kommentare (12)

  1. #1 May
    25. März 2014

    Von TED talks kann man wohl nicht mehr erwarten als: “New concept”, “it works! (don’t ask me how)”.

  2. #2 Jürgen Schönstein
    26. März 2014

    @May
    Wo sagt er das? Genauer gesagt: Er erklärt ziemlich ausführlich, was sein Konzept is und wie es wirkt. Aber es ist ein Vortrag für ein wenn auch interessiertes, aber dennoch nicht fachlich spezialisiertes Publikum. Da gibt es Grenzen dessen, was man sinnvoll in 10 bis 15 Minuten vermitteln kann.

  3. #3 Physiker
    28. März 2014

    Klingt für mich sehr dick aufgetragen. Hier nur ein paar Punkte, die mich stutzig machen:
    – Laut Wikipedia ist das Konzept für solche Batterien/Akkus schon deutlich älter als der Prof. selbst.
    – Wenn ich mich nicht irre ist Magnesium und Antimon deutlich teurer (Faktor 2-10) als Blei (simpler Blei-Akku), wobei der Blei-Akku wesentlich mehr Ladezyklen verträgt, auch noch bei Raumtemperatur ohne externe Heizung anspringt, einen unschlagbar hohen Wirkungsgrad besitzt und bestens erprobt ist.
    – Wo sind die Kennzahlen zum Wirkungsgrad, zur Energiedichte (kWh/kg) und zum geschätzten Preis pro gespeicherter Energie? Sind die Zahlen so klein, dass man sie verstecken muss?

  4. #4 MeineMeinung
    30. März 2014

    @Physiker
    Ihre Anmerkungen sind begründet und nachvollziehbar.

    Manchmal ist keine Reaktion beredeter als eine lange Anwort des Adressaten. Liegt vielleicht auch daran, das ScienceBlogs von bestimmten Personen umgedeutet wird in MyBolg.

  5. #5 Jürgen Schönstein
    30. März 2014

    @Physiker
    Das Konzept der Kernfusion ist auch schon sehr alt, und doch gibt es bis heute keine praktische Anwendung auf der Erde. Und wenn Bleiakkus so großartige Speicher sind – warum taugen sie dann nicht mal für Elektroautos? Der Vergleichsmaßstab sind heute Litihiumbatterien, und deren Preis ist die Messlatte, an denen sich die Flüssigmetallbatterie orientiert. Der Wirkungsgrad der Flüssigmetallbatterien wird hier mit 80 Prozent bei Gleichstrom zu Gleichstrom und 70 Prozent bei Wechselstrom zu Wechselstrom angegeben. Während Bleiakkus und auch Lithiumbatterien nur sehr begrenzte Ladezyklen aushalten (nach 800 Zyklen hat eine Lithiumbatterie nur noch etwa zwei Drittel ihrer ursprünglichen Kapazität) , verliere eine Flüssigmetallbatterie, wie mir Sadoway versicherte, pro Ladezyklus nur 0,0002 Prozent ihrer Kapazität – um auf 80 Prozent abzufallen, würde es bei täglicher Be- und Entladung (was ja der Zweck eines solchen Speichers wäre) mehr als 300 Jahre dauern. Lithiumbatterien bräuchten dazu keine drei Jahre. Und überhaupt: Wenn die Flüssigmetallbatterie so eine unnötige Idee ist, warum forschen dann auch die Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums in Dresden so eifrig daran? Als Preis-Richtlinie für die Anschaffung peilt eine Obergrenze von 500 Dollar pro kWh an.

    @MeineMeinung
    Selten so einen Unsinn gelesen. Warum soll Sadoway – der ja wohl der “Adressat” gewesen sein muss – hier in meinem Blog auf eine anonyme Frage antworten müssen? Falls ich aber gegen jede Logik der “adressat” gewesen sein sollte: Warum ich beschäftigt bin, habe ich oben im zweiten Satz erklärt. Und ja, auch wenn es einige immer wieder zu überraschen scheint: Es ist MEIN Blog, auch wenn es unter dem Dach der ScienceBlogs erscheint – ich schreibe es, ich stehe mit meinem Namen dafür gerade, und ich muss mich mit nützlichen ebenso wie unnützen Kommentaren auseinander setzen. JEDES Blog hier bei den ScienceBlogs.de ist übrigens jemandes “MyBlog”, und das war nie anders. Wird auch nie anders sein. Was passt Ihnen daran nicht?

  6. #6 Physiker
    30. März 2014

    @Jürgen Schönstein:
    Dass an solchen Systemen geforscht werden soll, steht ausser Frage. Was ich aber kritisiere, ist der naive und unhinterfragte Glaube an solche Wunderversprechen (im übrigen ganz analog, wenn jemand eine ähnlich überschwängliche Propaganda zur Kernfusion verbreiten würde). Es ist klar, dass kürzere Vorträge knackiger sind und griffigere Aussagen machen. Ausserdem wird in amerikanischen Vorträgen ja tendenziell eher dick aufgetragen. Aber selbst wenn man das alles berücksichtigt, dann schlägt der obige TED-Vortrag dem Fass den Boden aus:

    – Prof. Sadoway gibt sich dort nämlich eindeutig als Erfinder dieser Flüssigmetallbatterien aus und erzählt auch noch unverfroren Anekdoten darüber, wie ihm die Idee gekommen sei. Hier in Deutschland haben schon eine handvoll Politiker ihren Doktor verloren, weil sie sich mit fremden Federn geschmückt haben. Ich sehe da keinen grossen Unterschied.

    – Sie haben völlig Recht: Der Vergleichsmassstab sind aktuelle Akku-Systeme. Und bei solch aussergewöhnlichen Behauptungen wie im obigen TED-Vortrag, will ich auch aussergewöhnliche Belege sehen. Die relevanten Kennzahlen findet man aber nicht mal auf den Projekt-Webseiten. Nur wenn man in den aktuelle Publikationen nachforscht, merkt man wie weit sich Prof. Sadoway aus dem Fenster lehnt:

    (i) Die 0,0002 Prozent Kapazitätsverlust pro Ladezyklus (d.h. 100.000 Zyklen um auf 80 Prozent abzufallen) sind reine Luftschlösser, wenn die Korrosion das noch ungelöste Problem ist, das die Betriebsdauer begrenzt. Ich zitiere aus dem aktuellen Review von 2013: “Major obstacles to demonstrating long-life liquid metal batteries center on (1) the identification and verification of corrosion resistant cell components […]”… und das ist übrigens nur der 1. Punkt in einer Liste von ungelösten Problemen.

    (ii) Bereits die Elektrolyt-Kosten der im TED-Talk vorgestellten Mg-Sb Zelle sind laut Prof. Sadoways aktuellem Review für komerzielle Zwecke zu hoch:
    “The estimated and realized Mg−Sb electrode materials costs from this work were $170/kWh and $230/kWh, respectively
    (Table 13). On the basis of this cost […], the low cell voltage, and limited rate capability, Mg−Sb cells were judged to be impractical for commercial applications.”… soviel zum TED-Zitat “…make it out of dirt!”

    (iii) Bei den Kosten werden selbst im Review nur die Elektroden-Kosten angegeben (und dann mit den Gesamtinvestitionskosten von etablierten Akku-Systemen verglichen). Klar, dass dann selbst die im Review gegenüber dem TED-Talk favorisierte Li[sic!]-Pb-Sb-Zelle zu fantastisch günstigen Preisen kommt. Kosten für das Heizungssystem, den Korrosionsschutz und die thermische Isolierung beim Preisvergleich einfach zu vernachlässigen finde ich schon für einen Review ziemlich dreist.

    Alles in allem finde ich deshalb den obigen TED-Vortrag hart an der Grenze zur Demagogie. Und ich finde, dass es gerade die Aufgabe von Journalisten ist, so etwas aufzudecken – vor allem dann, wenn Wikipedia und ein wenig common sense dafür schon ausreicht.

  7. #7 Jürgen Schönstein
    30. März 2014

    1. Es ist ein TED-Talk – kein Fachvortrag.
    2. Der Vortrag stammt aus dem Jahr 2012; natürlich hat sich das Thema seither weiter entwickelt.
    3. Es genügt ja nicht, ein chemisches Prinzip zu kennen – die Forschung dreht sich darum, dies in eine praktikable Lösung umzusetzen.
    4. Es ist meine Aufgabe hier, Themen zur Diskussion zu stellen. Nicht mehr, nicht weniger. Ich muss mir meine Aufgabe hier – es ist ein Blog, also eine persönliche Betrachtung – von niemandem vorschreiben lassen. Ich schreibe ja auch nicht vor, was die “Aufgabe von Physikern” ist.

  8. #8 Physiker
    30. März 2014

    1. Selbst in einem TED-Talk sollte es möglich sein die Leistung anderer zu würdigen und nicht das genaue Gegenteil von dem zu behaupten, was man publiziert. Die Kernthemen des TED-Talks sind i) das Lösen eines weltweiten Problems, ii) die Heuristik, d.h. wie man solche Probleme angeht, iii) die Schwerpunktsetzung auf Kosteneffektivität. In genau diesen drei Kernthemen fühe ich mich angeschwindelt (siehe obige Argumente).

    2. Der Vortrag stammt vom März 2012, der Review wurde im Mai 2012 eingereicht – für eine 180-Grad-Wende ist das ja schon sehr knapp (ganz zu schweigen von der guten wissenschaftlichen Praxis, nur über publizierte Ergebnisse vorzutragen).

    3. Was ist die Relevanz dieses Punktes? Es gibt Grundlagenforschung, angewandte Forschung und beliebig viele Zwischenstufen. Oder wollen Sie damit sagen, dass es die Aufgabe von Forschern ist auf Anwendungen hinzuarbeiten?

    4. Ich finde schon, dass Sie Ihre Meinung darüber äussern dürfen, was die “Aufgabe von Physikern” ist – genauso wie ich eine Meinung dazu habe, was die Aufgabe von Journalisten ist. Man muss ja nicht gleich jede Meinungsäusserung als ein “vorschreiben lassen” interpretieren.

    Egal, ich wollte eigentlich nur anmerken, dass ein bisschen Skepsis nicht schadet – auch wenn ein TED-Video von einem begnadeten Redner weltweit hochgejubelt wird…
    Mir gefällt auch das Bild von Wissenschaft überhaupt nicht, das Prof. Sadoway in diesem Vortrag vermittelt:
    – Die Verklärung von genialen Inspirationen, die so simpel sind, dass sie eigentlich jeder haben könnte. Das typische Klischee von Forschung eben.
    – Die Ökonomisierung des Wissenschaftsbetriebs: a) Die Zentrierung auf angewandte und marktwirtschaftlich relevante Forschung. b) Das offensive Bewerben und Überhöhte Darstellen der eigenen Ergebnisse. Das mag beim Einwerben von Drittmitteln oder Forschungsanträgen nötig sein, bei der Kommunikation mit der Öffentlichkeit halte ich dieses Blaue vom Himmel lügen allerdings für gefährlich.

  9. #9 MeineMeinung
    31. März 2014

    @Jürgen Schönstein

    Selten so einen Unsinn gelesen. Warum soll Sadoway – der ja wohl der “Adressat” gewesen sein muss – hier in meinem Blog auf eine anonyme Frage antworten müssen?

    Ganz ihrer Meinung, selten so einen Unsinn gelesen. Physiker stellt eine Frage bezüglich der von Ihnen gewählte Thematik. Die notwendigen Hintergrundinformationen bereit zu stellen ist eine Sache des Bloggers und nicht des Themas – egal ob eine natürliche Person dahinter (dem Thema) steht oder nicht. Offensichtlich hatten sie ja entsprechenden Informationen (siehe Kommentar #5), oder haben sie nachträglich in Erfahrung gebracht.

    Warum gab es diese Information nicht gleich? Als Journalist sollten sie die Grundsätze seriöser journalsistischer Tätigkeit kennen und als Blogger auch diesen treu bleiben. Und dazu gehören nunmal Hintergrundinformationen. Eigentlich eine Selbstverständlichkeit.

    JEDES Blog hier bei den ScienceBlogs.de ist übrigens jemandes “MyBlog”, und das war nie anders. Wird auch nie anders sein. Was passt Ihnen daran nicht?

    Natürlich ist jeder Blog hier ein persönlicher Blog und soll es auch bleiben. Da gibt es nichts zu kritisieren.
    Es sollte sich nur jeder die Mühe machen, sich über das gewählte Thema ausreichend zu informieren. Manche Beiträge könnten genauso gut aus der Hand eines Schülers/in stammen, mit der Note 3. Eben einfach copy and paste.
    In diesem konkreten Fall bedurfte es der konkreten Nachfrage von Physiker (siehe Kommentar #3) und meines bewußt provozierenden Folgekommentars.

    Und zuletzt möchte ich noch ihre Frage “Was passt Ihnen daran nicht?” beantworten: Ganz einfach, die fehlende Sorgfalt und manchmal jeder Bezug zu Science.

  10. #10 Eheran
    31. März 2014

    “nach 800 Zyklen hat eine Lithiumbatterie nur noch etwa zwei Drittel ihrer ursprünglichen Kapazität”

    Soll wohl ein Witz sein?
    Irgend ein Schriebs von 2002 soll uns irgendwas über die Zyklenfestigkeit heutiger Li-Akkus* sagen?
    Ansonsten gibt es da auch noch die kalendarische Haltbarkeit und die Leistung, die die Batterie bringen kann. Beides sind ebenso wichtige Parameter.

    *welche Technologie überhaupt?
    LiPo, Li-Ion oder LiFePO4?
    Davon hängt die Zyklenfestigkeit maßgeblich ab, sie steigt in der Reihenfolge stark an. Einen LiFePO4 Akku von A123 interessieren 1’000 Zyklen bei 100% DOD (fast) nicht. Da hätte ein LiPo-Akku schon die Grätsche gemacht.

  11. #11 Solarzellen für den Nachteinsatz – Geograffitico
    1. April 2014

    […] muss immer dann „produziert“ werden, wenn er gebraucht wird. Eine Lösung wären natürlich hochleistungsfähige Akkumulatoren, aber das treibt die Kosten für Solarstrom nur noch weiter in die Höhe – und die liegen […]

  12. #12 DRWOLF
    Nürnberg
    25. Februar 2017

    Hallo Herr Schönstein,
    heute (02/2017) und in der Entwicklung der neuesten Ergebnisse der Gruppe um Donald Sadoway, kann man nur sagen, dass Sadoway bisher recht behalten hat. Jeder ist frei, zu Sadoway eigene Recherchen anzustellen und die jüngsten Veröffentlichungen zu studieren. Halten wir einfach mal gut fest, was Sadoway herausgearbeitet hat: 1. Es geht nicht um “Batteirie-Prinzip gegen Batterie-Prinzip”, sondern um “Speicherung erneurbarer Energien auf Grid-Level” gegen “Energien aus fossilen Quellen durch Verbrennung und unmittelbare Verteilung oder Vernichtung in einem Netz”. Dies ist eine fundamentale Einsicht von Sadoway und sie ist, insbesondere auf die Situation in Nordamerika, richtig. 2. Donald Sadoway ist von seiner Fachrichtung her Metallurge und hat ein profundes Wissen in der Elektrochemie von Salzschmelzen. Er blickt ausserdem auf mehr als 40 Jahre Entwicklungsgeschichte, inklusive der sehr interessanten Verbindungen von den “europäischen” zu den “amerikanischen” Metallurgen und Materialwissenschaftlern zurück. Es ist somit nichts zwielichtiges daran, seine fachlichen Kenntnisse aus der Elektrometallurgie des Aluminiums auf die Ableitung eines “Grid-Level-Speicher” anzuwenden: das Stichwort heisst “Hoopes-Prozess”, wird leider in den deutschsprachigen Lehrbüchern nicht unter diesem seinem Erfinder genannt, sondern meistens als Dreischichten-Elektrolyse oder verschwomen als Elektro-Raffination bezeichnet. Dieser Prozess wurde bereits 1925 von einem Team um William Hoopes, bei Alcoa, patentiert. Es ist die intellektuelle Leistung Sadoways und seiner Entwickler-Gruppe, die Potenziale dieses industriellen Prozesses als Speichertyp für kostenminimierende Forschung entdeckt und herausgearbeitet zu haben. Selbst wenn heute dank der Forschungsarbeiten der Gruppe Sadoway klar ist, dass eine {Mg//Salzschmelze//Sb} – Zelle nicht für ein industrialisierbares Produkt geeignet ist, ist der Fortschritt hin zu einer {Li//Salzschmelze//Sb-Pb} -Zelle bereits in den frühen Arbeiten angelegt. Es bleibt alles richtig, insbesondere der Gedanke der Ressourcen-Verfügbarkeit und der Ressourcen-Schonung. 3. Der Gedankengang Sadoways und die in allen Arbeiten mitgeführte Kostenanalyse sind komplett richtig: für Grid-Level-Speicher sind Energiemengen in der Grössenordnung von Megawattstunden pro Speicher-Einheit nötig, die sehr schnell ansprechen müssen, sowohl bei Ladung, als auch bei Entladung. Der dominante Kostenfaktor in einem Balance-of-Systems-Ansatz ist der Kapitalkosten-Einsatz pro Kilowattstunde umgesetzter Energie. Damit werden sofort a) die Verfügbarkeit und b) die Lebensdauer der elektrochemisch aktiven Speichermaterialien zum zentralen Kostenfaktor. Sadoway kann gar nicht genug dafür gelobt werden, dass er die prinzipielle Nicht-Anfälligkeit der Flüssigmetall-Speicher für irreversible Phasenumwandlungen herausgearbeitet hat! 4. Die aktuell in einem Feldversuch einer US-Navy-Base in den USA befindlichen Speichereinheiten beruhen auf einer {Li//Salzschmelze//Sb-Pb} -Zelle, mit einer Arbeitsspannung zwischen 0,8 – 1,2 Volt und Stromdichten zwischen 600 und 1000 Milliampère pro cm². 5. Der bisherige Umgang mit den verfügbaren Lithium-Ressourcen ist ignorant – derzeit wird Lithium in keinem einzigen industriell und ökonomisch relevanten Prozess zurückgewonnen! Der Wahnsinn ist: die bekanntermassen begrenzten Lithium-Lagerstätten werden, in ALLEN industriellen Stoffströmen seit der Einführung der Lithiumionen-Batterien, in Consumer-Produkte gedrückt und nach Verbrauch über die Abwasserströme letztlich in die Weltmeere geleitet. Im Gegensatz dazu ist Sadoways jüngster Versuch, eine wirtschaftlich überlebensfähige technische Lösung für die Flüssigmetall-Batterie zu finden, zwar nicht mehr die billigste Rohstoff-Variante, aber vom Ansatz her immer noch die nachhaltigste. Falls es gelingen sollte, eine langzeitwirksame Lösung für das Containment der Zellen zu finden, entstünde ein Speicherprodukt mit Cradle-to-Cradle-Qualität. Dank Sadoways Forschungsansatz wird keine der elektrochemisch aktiven Komponenten aus Gründen einer allfällig idiotischen Endverbraucher-Ökonomie unwiederbringlich den Abfluss hinuntergehen. 6. Sadoway hat sich als akademischer Lehrer und Ausbilder einen Ruf erworben, der seinesgleichen sucht. Die Vorlesung “3.091 – Introduction to Solid State Chemistry”, verfügbar über die YouTube-basierte MITOPENCOURSEware, kann jedem nur wärmstens empfohlen werden. Persönlichkeiten wie Donald Sadoway würde ich mir auch hier in Deutscland wünschen.