Natrium-Luft Akkus: Forscher verbessern die Systemstabilität

Natrium-Luft Akkus versprechen eine um ein Vielfaches höhere Leistungsfähigkeit als aktuelle Lithium-Ionen-Batterien. Bis zur Marktreife der Systeme müssen allerdings noch einige Hindernisse aus dem Weg geräumt werden. Ein großes Problem haben Wissenschaftler in den USA möglicherweise gelöst: Eine hochkonzentrierte Elektrolytlösung könnte die Zyklenfestigkeit von Natrium-Luft Akkus deutlich verbessern.

Bei Natrium-Luft Akkus bzw. bei Metall-Luft-Akkus im Allgemeinen wird elektrische Energie durch die Reaktion von Metallen mit Sauerstoff freigesetzt. Der Sauerstoff wird dabei aus der Umgebungsluft gewonnen. Da er nicht in der Batterie vorgehalten werden muss, lassen sich mit diesen Systemen höhere Energiedichten erzielen. Aktuelle Probleme sind eine nicht ausreichende Wiederaufladbarkeit und eine Reihe von Nebenreaktionen.

Natrium ist als Rohstoff besonders leicht verfügbar

Derzeit wird besonders stark an Lithium-Luft-Akkus geforscht, da dieses Metall das größte elektrochemische Potential besitzt und damit die höchstmögliche Energiedichte verspricht. Doch Natrium-Luft Akkus sind eine interessante Alternative, obwohl ihre theoretische Energiedichte nur halb so groß ist. Natrium ist wesentlich leichter verfügbar und ist vor allem aus einem Grund als Rohstoff erfolgversprechender: Bei Versuchen mit Lithium entsteht Lithiumperoxid, welches die poröse Elektrode verstopft. In Natrium-Luft Akkus entsteht jedoch nicht wie zu erwarten Natriumperoxid, sondern Natriumsuperoxid (NaO2), welches sich beim Laden nahezu vollständig wieder in seine Einzelelemente zerlegen lässt.

Wasserfreies, aprotisches Lösungsmittel als Elektrolyt

Voraussetzung dafür ist ein wasserfreies, aprotisches Lösungsmittel als Elektrolyt. Normalerweise würde Dimethylsulfoxid (DMSO) verwendet, doch dieses bildet mit Natrium unerwünschte Reaktionsprodukte. Das Forscherteam um Mingfu He, Kah Chun Lau, Yiying Wu an der Ohio State University, der California State University und dem Argonne National Laboratory haben dafür nun einen Lösungsansatz gefunden. Sie verwenden eine hohe Konzentration des Salzes Natriumtrifluormethansulfonimid (NaTFSI), welches DMSO gegenüber Natrium stabilisiert. Der Grund dafür ist eine in der Lösung entstehende Struktur aus locker vernetzten Na(DMSO)3TFSI-Einheiten, die einen Großteil der DMSO-Moleküle bindet. So bleiben nur noch wenige Moleküle für eine Reaktion übrig. Dann zersetzt das Natrium vorzugsweise TFSI-Anionen. Das hat allerdings den positiven Effekt, dass sich eine passivierende Schutzschicht auf der Natrium-Elektrode bildet.

Prototyp der Natrium-Luft Akkus überstand 150 Ladezyklen

Die Forscher konnten auf Basis dieser Erkenntnisse nun einen kleinen Akku herstellen, der 150 Ladezyklen ohne große Leistungsverluste überstand. Solange eine verdünnte Elektrolytlösung verwendet wurde, waren lediglich 6 Zyklen möglich gewesen.

Quellen / Weiterlesen:
Zukünftige Stromspeicher: Neues Verfahren macht Natrium-Luft-Akkus stabiler – derStandard.at
Salziger Akkus: Natrium-Luft-Akkus mit verbesserter Zyklenfestigkeit dank hochkonzentriertem Elektrolyten – Chemie.de
Forscher verbessern Zyklenfestigkeit von Natrium-Luft-Akkus – Springer Professional
Bildquelle: Wikipedia – By RudolfSimon (Own work) [CC BY-SA 3.0]