Flüssiger Treibstoff für künftige Computer
Eine neuartige winzige Flussbatterie soll künftig sehr dicht gepackte elektronische Komponenten mit Energie versorgen und gleichzeitig die von ihnen produzierte Wärme abführen.
Forschende der ETH Zürich und von IBM Research in Rüschlikon haben eine winzige Flussbatterie geschaffen. Damit könnten künftig Computerchip-Stapel, bei denen einzelne Chips platzsparend übereinandergelegt werden, mit Energie versorgt und gleichzeitig gekühlt werden. Bei einer Flussbatterie wird mit einer elektrochemischen Reaktion Strom aus zwei flüssigen Elektrolyten gewonnen. Diese werden von aussen über einen Leitungskreislauf in die Batterie-Zelle gepumpt.
«Die Chips werden quasi mit einem flüssigen Treibstoff betrieben und produzieren daraus ihren eigenen Strom», sagt Dimos Poulikakos, Professor für Thermodynamik an der ETH Zürich. Weil die Wissenschaftler zwei Flüssigkeiten verwenden, von denen bekannt ist, dass sie sich sowohl als Flussbatterie-Elektrolyte als auch als Kühlmittel eignen, kann über denselben Kreislauf auch überschüssige Wärme vom Chip-Stapel abgeführt werden.
Die von den Wissenschaftlern konstruierte Batterie ist bloss etwa 1,5 Millimeter dünn. Die Idee wäre, Chip-Stapel schichtweise zu bauen: ein Computerchip, darüber die dünne Batterie-Mikrozelle, die den Chip mit Strom versorgt und kühlt, dann der nächste Computerchip und so weiter.
Rekordhohe Leistung
Bisherige Flussbatterien (siehe Kasten) sind riesig und vor allem als Grossspeicher im Einsatz, etwa im Verbund mit Wind- und Solarkraftwerken, um dort vorübergehend die produzierte Energie zu speichern, damit sie zeitversetzt genutzt werden kann. «Wir sind die ersten Wissenschaftler, die eine so kleine Flussbatterie bauen, um damit Stromversorgung und Kühlung zu kombinieren», sagt Julian Marschewski, Doktorand in Poulikakos‘ Gruppe.
Ausserdem ist die Leistung der neuen Mikrobatterie bezogen auf ihre Grösse rekordverdächtig hoch: Pro Quadratzentimeter Batteriefläche beträgt sie 1,4 Watt. Zieht man davon die Leistung ab, welche benötigt wird, um die flüssigen Elektrolyte zur Batterie zu pumpen, resultiert als Nettoleistungsdichte immer noch 1 Watt pro Quadratzentimeter.
Wie die Forschenden ausserdem im Experiment zeigten, sind die Elektrolyt-Flüssigkeiten tatsächlich in der Lage, einen Chip zu kühlen: Sie sind sogar in der Lage, ein Vielfaches der Wärmeenergie abzuführen als die Batterie elektrische Energie umsetzt (und die beim Chipbetrieb zu Wärmeenergie umgewandelt wird).
Mit 3D-Druck optimiertes Kanalsystem
Die laut den Wissenschaftlern grösste Herausforderung beim Bau der neuen Mikro-Flussbatterie war es, sie so zu konstruieren, dass sie möglichst effizient mit Elektrolyten versorgt wird und die Pumpleistung gleichzeitig möglichst gering gehalten werden kann. «Es galt, den optimalen Kompromiss zu finden», so Marschewski.
Die elektrochemischen Reaktionen in der Batterie finden in zwei dünnen und porösen Elektroden-Schichten statt, die durch eine Membran getrennt sind. Marschewski und seine Kollegen konstruierten mittels 3D-Druck ein Polymer-Kanalsystem, um die Elektrolytflüssigkeit möglichst effizient in die poröse Elektrodenschicht zu pressen. Am geeignetsten von mehreren untersuchten Mustern erwies sich dabei eines aus kegelförmig zusammenlaufenden Kanälen.
Auch für Gross-Systeme interessant
Die Wissenschaftler haben nun einen ersten Machbarkeitsnachweis für die Konstruktion einer kleinen Flussbatterie geliefert. Obschon die Leistungsdichte der neuen Mikro-Flussbatterie sehr hoch ist, reicht der damit produzierte Strom aber noch nicht ganz aus, um damit einen Computerchip zu betreiben. Damit die Flussbatterie in einem Chip-Stapel eingesetzt werden kann, muss sie von Industriepartnern noch weiter optimiert werden.
Wie die Wissenschaftler betonen, ist der neue Ansatz auch für weitere Anwendungen interessant, zum Beispiel für Laser. Denn auch diese müssen mit Energie versorgt und gekühlt werden. Oder für Solarzellen: Der produzierte Strom könnte direkt in der Zelle gespeichert werden und später bei Bedarf bezogen werden. Gleichzeitig könnte das System die Betriebstemperatur der Solarzelle optimal halten. Ausserdem könnten mit dem optimierten Ansatz, die Elektrolyt-Flüssigkeiten durch die poröse Elektroden zu treiben, auch Gross-Flussbatterien verbessert werden.
Flussbatterien
Batterien speichern Energie in chemischer Form und wandeln diese in elektrochemischen Reaktionen in Elektrizität um. In herkömmlichen Batterien (Ionenbatterien) ist die Energie in zwei festen Elektroden gespeichert, in Flussbatterien jedoch in zwei flüssigen Elektrolyten, die in zwei getrennten Kreisläufen in die Flussbatterie gepumpt werden können. «Flussbatterien sind im Prinzip wiederaufladbare Brennstoffzellen», erklärt ETH-Doktorand Julian Marschewski. Während Brennstoffzellen nur chemische Energie in elektrische umwandeln können, ist bei einer Flussbatterie die Umwandlung in beide Richtungen möglich.
Für herkömmliche Batterien gilt: Je mehr Energie sie speichern, desto voluminöser und schwerer sind sie. In Flussbatterien können die Elektrolyt-Flüssigkeiten (quasi der Treibstoff) über Leitungen von aussen zu- und wieder abgeführt werden. Ein Vorteil davon: Die Zellen der Flussbatterien können kleiner und leichter gebaut werden. Ein Nachteil: Flussbatterien sind auf ein Versorgungssystem mit Leitungen und Pumpen angewiesen.
Literaturhinweis
Marschewski J, Brenner L, Ebejer N, Ruch P, Michel B, Poulikakos D: 3D-printed fluidic networks for high-power-density heat-managing miniaturized redox flow batteries. Energy and Environmental Science 2017, doi: externe Seite 10.1039/c6ee03192g