Globale Energieunternehmen wie Tesla und Sonnen sorgen für Schlagzeilen, weil sie riesige Lithium-Ionen-Batterien im Stromnetzmaßstab an Orten wie Australien, Puerto Rico und den USA installieren. Es wäre daher leicht anzunehmen, dass Lithium-Ionen die einzige Wahl für die Batterieunterstützung von Energieversorgern ist. Während Lithium-Ionen-Batterien 59% der elektrochemischen Netzspeicher ausmachen, gibt es andere Batterietechnologien. Eines davon ist Natriumschwefel (NaS).
NaS-Batterien fallen in eine Kategorie, die als Hochtemperaturbatterien bezeichnet wird. Sie werden so genannt, weil erhöhte Temperaturen erforderlich sind, um die Anoden- und Kathodenmaterialien in einem geschmolzenen Zustand zu halten, damit die Batterie funktioniert. Im Betrieb erzeugt die chemische Reaktion genügend Wärme, um den geschmolzenen Zustand aufrechtzuerhalten. Nur während des Starts oder im Leerlauf der Batterie muss eine externe Heizung erfolgen.
Die Verwendung von geschmolzenem Natrium als Anode (negative Elektrode) und geschmolzenem Schwefel als Kathode (positive Elektrode) wurde erstmals in den 1960er Jahren von der Ford Motor Company entwickelt. Die Betriebstemperatur von 300-350 ° C – erforderlich, um Natrium und Schwefel in einem geschmolzenen Zustand zu halten — zusammen mit den Gefahren von hochreaktivem Natriummetall stellte Gefahren für die Verwendung der NAS-Batterie in Elektrofahrzeugen (EVs) auf Straßen dar. Schließlich gab Ford die Idee für EVs auf.
NGK hat weltweit bedeutende NAS-Batteriekapazitäten (Grid-Scale Sodium Sulphur) entwickelt. (Bildquelle: NGK)
Der Keramikspezialist NGK Insulators in Japan begann 1989 mit dem NaS-Konzept. NGK fügte eine dünne Beta-Aluminiumoxidkeramik-Elektrolytmembran zwischen den geschmolzenen Materialien hinzu. Während der Entladung lässt die Keramikmembran nur positiv geladene Natriumionen vom negativen geschmolzenen Natrium zum positiven geschmolzenen Schwefel durch. Während des Ladevorgangs wird der Vorgang umgekehrt. In Zusammenarbeit mit der Tokyo Electric Power Company (TEPCO) ging NGK 2002 mit seiner kommerziellen stationären NaS-Batterie zur Unterstützung erneuerbarer Energienetze in Produktion.
NGK fand in Japan zusätzliche Anwendungen für seine NaS-Batterie, einschließlich Lastausgleich in Windparks und anderen Netzdiensten. Die Technologie verbreitete sich in anderen Teilen der Welt. Bis heute sind mehr als 300 MW NaS-Speicher in 170 Ländern vorhanden. Dies entspricht etwa 3% des gesamten elektrochemischen Netzspeichers.
Laut der Internationalen Agentur für erneuerbare Energien (IRENA) in ihrem Bericht über Stromspeicher und erneuerbare Energien vom Oktober 2017 liegt die Energiedichte einer NaS-Batterie zwischen 140 und 300 Wattstunden / Liter (Wh / L). Das sind etwas weniger als die 500 Wh/L eines Lithium-Ionen-Akkus der aktuellen Generation. Was NaS bietet, ist eine viel längere Lebensdauer — mehr als 5.000 Lade- und Entladezyklen. Das ist fast doppelt so viel, wie mit einem Lithium-Ionen-Akku möglich ist. NaS bietet auch etwas niedrigere Kosten (hauptsächlich aufgrund der Herstellung aus billigen und reichlich vorhandenen Materialien) im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien.
Ersetzen der Keramikmembran
Einer der limitierenden Faktoren für die Akzeptanz von Hochtemperaturbatterien war die Zerbrechlichkeit der Keramikmembran zwischen den geschmolzenen Anoden- und Kathodenkomponenten. Die hauchdünne Membran kann leicht beschädigt werden, wenn die Batterie in Betrieb ist. Jetzt hat eine Forschungsgruppe am MIT einen Artikel in Nature veröffentlicht, in dem die Verwendung eines Metallgitters als Ersatz für die Keramikmembran in Hochtemperaturbatterien beschrieben wird.
Der Ansatz des MIT-Teams bestand darin, die Funktion der spröden Keramikmembran durch ein robusteres und flexibleres, speziell beschichtetes Metallgewebe zu ersetzen. Nach dem Experimentieren mit einer Vielzahl von Materialien wurden die besten Ergebnisse unter Verwendung eines Stahlgitters erzielt, das mit einer Lösung von Titannitrid beschichtet war. Dies führte zu einer funktionsfähigen, kostengünstigeren Batterie.
Das Team fand auch etwas Unerwartetes. In einer Pressemitteilung des MIT heißt es: „Die Membran hatte ihre Rolle — bestimmte Moleküle selektiv passieren zu lassen und andere zu blockieren — auf eine völlig andere Weise erfüllt, indem sie ihre elektrischen Eigenschaften anstelle der typischen mechanischen Sortierung basierend auf der Größe der Poren im (keramischen) Material verwendete.“
„Ich halte dies für einen Durchbruch“, sagte MIT-Professor Donald Sadoway in der MIT-Pressemitteilung. „Die Tatsache, dass Sie eine Natrium-Schwefel-Batterie oder eine Natrium / Nickel—Chlorid-Batterie bauen können, ohne auf zerbrechliche, spröde Keramik zurückzugreifen – das ändert alles“, sagte er.
Lithium-Ionen-Batterien werden auch in absehbarer Zukunft die erste Wahl für die persönliche Elektronik und den Antrieb von Elektrofahrzeugen bleiben. Das Potenzial für Hochtemperaturbatterien — insbesondere solche, die geschmolzenes Natrium und Schwefel verwenden — könnte jedoch dazu beitragen, die Kosten zu senken und die Zuverlässigkeit von Energienetzen zu verbessern, die auf erneuerbare Energiequellen angewiesen sind.
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Senior Editor Kevin Clemens schreibt seit mehr als 30 Jahren über Energie-, Automobil- und Transportthemen. Er hat einen Master-Abschluss in Werkstofftechnik und Umwelterziehung sowie einen Doktortitel in Maschinenbau mit Schwerpunkt Aerodynamik. Er hat mehrere Geschwindigkeitsrekorde auf Elektromotorrädern aufgestellt, die er in seiner Werkstatt gebaut hat.
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