"Natrium-Metall-Chlorid Batterie"

Cord-Henrich Dustmann

Natrium-Metallchlorid Batterie ist der chemische Name für ein Batteriesystem, das unter der Marke "ZEBRA" vertrieben wird und normales Kochsalz sowie ein Metall als Hauptbestandteile des Elektrodenmaterials benutzt. Die Komponenten und Funktionsweise dieses Speichers für elektrische Energie sollen hier kurz beschrieben werden.

Grundlagen

Bei der Natrium-Metallchlorid (NaMCl2) Batterie wird der Unterschied zwischen der hohen chemischen Bindungsenergie von Kochsalz (NaCl, -411,2 kJ/mol) und der geringeren Bindungsenergie anderer Metallchloride ausgenutzt. In der Praxis wird Nickel (NiCl2, -305,3 kJ/mol, Leerlaufspannung 2,58 V), Eisen (FeCl2, -302,3 kJ/mol, Leerlaufspannung 2,35 V) oder eine Mischung von Nickel und Eisen verwendet.
Zur Kontrolle der chemischen Reaktion und gleichzeitig als Separator zwischen Anode und Kathode dient ein Festkörperelektrolyt, der in diesem Falle von einer für Natriumionen leitfähigen Keramik auf der Basis von Aluminiumoxid gebildet wird, einer sogenannten ß"-Al2O3-Keramik.
Bei der Herstellung wird "einfach" ein Gemisch aus Kochsalz, einigen Additiven als "Gewürze" und Metallpulver in ein reagenzglasförmiges ß"-Al2O3-Keramikrohr eingefüllt, mit der Salzschmelze Natrium-Aluminiumtetrachlorid (NaAlCl4) imprägniert und verschlossen.
Dieses ist der total ungeladene Zustand der Zelle. Beim ersten Laden wird nun das Kochsalz zerlegt, wobei sich das Chlor durch Bildung von Metallchlorid am Metal anlagert und das Natrium als Na+ durch den Elektrolyten auf die Anodenseite wandert. Dort erhält es ein Elektron und bildet als metallisches Natrium die Anode. Beim Entladen läuft dieselbe Reaktion in umgekehrter Richtung ab, wobei etwas Natrium als Grundladung in der Anode verbleibt. Der Querschnitt einer solchen Zelle ist in Bild 1 abgebildet.

Abbildung 1: Querschnitt durch eine Natrium-Metallchlorid Zelle

Betriebstemperatur

Die Natrium-Aluminiumtetrachlorid Salzschmelze hat eine Schmelztemperatur von 153 °C und die Ionenleitfähigkeit der ß"-Al2O3-Keramik ist temperaturabhängig. Daraus leitet sich für die Betriebstemperatur der Zellen ein Bereich von 270 °C bis 350 °C ab. Eine hocheffiziente Wärmeisolation des Batteriegehäuses sorgt durch Vakuum nach dem Prinzip einer Thermoskanne für äußerst geringe Wärmeverluste, die zudem noch je nach Betrieb von den unvermeidlichen inneren elektrischen Verlusten kompensiert werden. Hierdurch wird auch erreicht, dass die Leistungsdaten der Batterie unabhängig von der Umgebungstemperatur sind und dass bei Bedarf eine einfache Luftkühlung verwendet werden kann.

Abbildung 2: Crashtest einer Batterie gegen einen Pfahl bei 50 km/h

Sicherheit

Wie bei jedem Energiesystem ist auch der Sicherheit einer Batterie besondere Aufmerksamkeit zu widmen, schließlich möchte man möglichst viel Energie bei geringem Gewicht und Volumen speichern. Hier hat die Natrium-Metallchlorid Batterie einen wesentlichen Vorteil, der auch in zerstörenden Tests belegt wurde (Bild 2). Es gibt hier vier Sicherheitsebenen:

  1. Chemie
    Bei einem Bruch oder einem Schaden des Separators absorbiert die flüssige Salzschmelze (NaAlCl4) der Kathode das Natrium der Anode und bildet Kochsalz und Aluminium in einer exothermen Reaktion, die etwa 20% weniger Energie freisetzt als die normale Entladereaktion. Alle beteiligten Stoffe haben einen sehr niedrigen Dampfdruck, so dass auch bei extremen Fehlern keine gefährlichen Gase frei werden und die Zelle hermetisch dicht gestaltet werden kann.

  2. Zellgehäuse
    Das Zellgehäuse aus Stahl bleibt auch bei hohen Temperaturen dicht, wenn keine mechanische Zerstörung von außen vorliegt.

  3. Batteriegehäuse
    Das der Wärmeisolation dienende, doppelwandige Batteriegehäuse aus Edelstahl bildet einen weiteren Einschluss. Die im Zwischenraum verwendete Wärmeisolation aus geschäumtem SiO2 ist bis über 1000°C stabil, eine Temperatur, die theoretisch gerade erreicht werden könnte, wenn die gesamte chemisch gespeicherte Energie einer voll geladenen Batterie als Wärme frei würde.

  4. Elektronische Überwachung
    Wie bei jeder modernen Batterie werden die Batterieparameter überwacht und dafür gesorgt, dass nur erlaubte Betriebszustände auftreten können.

Materialien bestimmen die Kosten

Die Materialkosten sind zwar nicht alles, aber je grösser die produzierte Stückzahl eines Produktes, desto größer wird der relative Kostenanteil der verwendeten Materialien. Die wesentlichen Materialien der Natrium-Metallchlorid Batterie sind Aluminiumoxid, Nickel oder/und Eisen und einfache Salze. Alles weit verbreitet und verfügbar. Dadurch ist auch das Recycling einfach und ohne große Kosten.

Abbildung 3: Schnittmodell einer 21 kWh Batterie mit 216 Zellen

Leistungsdaten

Die spezifische theoretische Energie des Systems NaMCl2 beträgt 790 Wh/kg, von denen bisher 100 bis 120 Wh/kg in einer einbaufertigen Batterie für Elektroautos realisiert wurden. Zum Vergleich: eine Li-Ionen Batterie für Elektroautos liegt bei 90 bis 100 Wh/kg und eine Blei-Batterie bei 25 bis 35 Wh/kg. Die NaMCl2 Batterie erreicht eine spezifische Leistung von 170 bis 200 W/kg. Hier liegt die Li-Ionen Batterie mit bis zu 1000 W/kg wesentlich höher.
Die Entwicklung verläuft zurzeit stürmisch und man kann gespannt sein, was in naher Zukunft noch erreicht wird.

Schlauer Fuchs

Unser Schlauer Fuchs diese Woche ist Hans K. aus Ostfildern. Zur Frage:

Was geschieht beim ersten Laden an der Anode?

Schickte er uns die erste richtige Antwort.
Bitte sehen Sie bis zur Veröffentlichung des nächsten Beitrags mit einer neuen Frage von einer E-Mail-Antwort an schlauerfuchs@gdch.de ab.


Kontakt

Dr. Cord-Henrich Dustmann
Battery Consult sagl
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