Wiederaufladbare Batterien - Group of Prof. Dr. Wolfgang Tremel

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Detail unten - Stromkollektor (QPol) - Nickelchiorid + Natriumaluminiumchlorid - Keramikelektrolyt Wirdrraafladbnre Batterien 327 - Natrium Abb. 9. Aufbau und Zellreaktionen im Na- Abb. 10. Uberlade- und Uberentladereak- -2ellbecher (OPol) NiClz-Akkumulator. [Quelle: AEG-Anglo- tionen des Na-NiClz-Systems. [Quelle: Batterien] AEG-Anglo-Batterien] NiClz + 2Na + 2 NaCl + Ni I I "1 do Entladen Laden Der Na-S-Akkumulator hat eine Ruhespan- nung von ca. 2,l V. Die spezifische Energie erreicht je nach Grdk 90-110 Wh kg-' - bci grofleren Einheiten ist der relative Gewichts- anteil von Heizung, Kiihlung und Warmciso- lation kleiner. Um die Batterie ausgehend vom Kaltzustaiid iii Bctrieb zu nehmen, mu13 sie uber eine externe Heizung aufgeheizt werden. Die erreichte Betriebstemperatur wird durch Heizen und Kiihlcn konstant ge- halten. I)a der Festelektrolyt eiri Isolator ist, gibt es keine nennenswcrtc clektrische Selbst- entladung. Die trot% der Superisolation vor- Chernie in unsere7- Zeit / 33. Jahrg. 1999 I iVr. 6 10 handcncn bctrachtlichcn Wiirmeverluste (thermische Selbstentladung), die bei einer ESF-Battcric in1 Bereich von 150-200 W lie- gen, miissen jedoch durch eine Heizung - bei nichtstationarer Verwendung von der Batte- rie bctrichcn - rcgcncricrt werden. Die Na-S- Batterie sollte bei Nichtgebrauch stets am Nctz angcschlosscn scin, uin ein Jinfrieren" der Aktivmassen durch thermischc Selbstcnt- ladung zu vermeiden, denn der keramische Festelektrolyt kann beim Wiederaufschmcl- Zen erheblichen mechanischen Spannungen ausgesetzt sein und brechen. Letztlich ist des- halb die Na-S-Batterie fiir stationire Anwen- dungcn (USV) vie1 gccigneter als fur die Elek- trotraktion. Der Natrium-Nickelchlorid-Akkumulator kann als eine sicherere Variante deb Na-S-Sy- sterns angcschcii wcrdcn. Die negative Natri- uinelektrode und auch der pll-AI203-Feste- lektrolyt werden heibehaltcn. Als positive Elektrode wird NiC12, dispcrgicrt in cinen zwcitcn Elektrolyten, eine NaAlCL-Salz- schmelzc, vcrwcndct, welche als Na+-Ionen- Leiter zwischen den Festkiirpern pll-Al203
328 Wie d e ra u flu d ba re Rat t e ri en 11 a 11 b Abb. 11. a) Aufbau der Na-NiClz-Batterie aus quadratischen Einzelzellen mit 37 mm Kantenlange, b) Doppelwandig vakuumisctlierte, hermetisch verschlossene Batterien mit eingebauter Peripherie (Kuhlung, Heizung). [Quelle: AEG-Anglo-Batterien]; Links: Tylp Z5B: 214 Zellen, 204 kg + 8 kg (Peripherie); 17,6 kWh; 276 V; 64 Ah, Kuhlmittel: Luft. Mitte: Typ 211: 348 Zellen, 318 kg + 17 kg (Peripherie), 28,7 kwh; 299,3 V; 96 Ah, Kiihlmittel: Ol/Wasser, Kechts: Typ 212: 448 Zellen, 358 kg + 17 kg (Peripherie), 30 kwh; 288,9 V; 104 Ah, Kuhl- mittel: WWasser. und NiClz fungiert. Die Aktivmassen konncn aus cincm NaCl/Ni-Gcniisch bci dcr ersten L.adung hergestellt wcrdcn. Der genieinsam von der - inzwischen zu Daimler- Chrysler gchorenden - AEG und der siidafrikanischen Anglo Corp. cntm7ickcltc Akkumulator erhielt auch die Bexeichnung ZEBRA-Batterie (Zero Emission Battery Research Activities). Der Aufbau einer ZEBRA-Zelle ist mit dern der Na-S-Zelle vcrgleichbar, allerdings sind die Positionen von negativer und positiver Aktivniasse Zuni Festelektrolytcn vertauscht (Abbildung 9). Der Festelektrolyt ist von einem unten perforiertcn Stahlmantel umgcbcn, so dafi auch hie, nur ein dunner Na-Film irn Kapillarspalt im Kontakt init dem Festelektrolyten ist. Auch dic Betriebstcniperatur (325 "C f 50 "C), die Leistungsdaten (>90 Wh kg-', ca. 1000 Cyclen, ca. 2,6V Ruhespannung, kcinc elcktrischc, aber thcrmische Selbstent- Indung), und die Zellperipherie (Warmeisolation, Heizung, Kiihlung) sind ahnlich. Die Chemie ist jedoch ganz andcrs (Abbildung 9). Iiiteressant ist, dall dcr Innenwiderstand der Zcllc wihrend Entladung und Ladung nicht konstant bleibt, weil sich die elektrochemischc Keaktioiiszone ausgehend von der Oberflachc dcs k'cstkiirpcrclcktrolyten in die positive Fcstkiirperelektrode hineinbewegt und somit die Lingc dcs lonenstromweges zwischen Festelcktrolyt und noch nicht rcagierter Aktivinasse (0) kontinuierlich erhiiht wird. Chernie in i.mwuer Zeit / 33. Juhrg. 1999 / Nu. 6 Sollte die die Entlade- und Ladevorgange steuernde Elektronik ausfallen, bilden sich sowohl durch oberladung, d. h. nach Vcr- brauch des NaCI, oder durch Uberentladung, d. h. nach Erschopfung des NiC12 bzw. des Na, fur die Sicherhcit dcr Uatterie unbcdenk- liche Produkte (Abbildung 10). Ris zu einem gewissen Grad der Uberladung bzw. Uber- cntladung sind dicsc Rcaktioncn sogar rc- versibel. Bei einem Bruch der Keramik rea- giert das flussige Natriuin mit der NaAIC14- Schmclzc zu Kochsalz und Aluminium. Diese Reaktion setzt nur ca. 66 % der Encr- gie der normalen Entladereaktion als Warme frei. Im Unterschied zur Na-S-Zelle schadet auch mehrfachcs Abkuhlcn der Battcric nicht. Die nachfolgende Wiederaufheizung mufl allerdings vorsichtig iiber mehrere Tage crfolgen. Die Batterie ist aus mehreren liundert Zellen aufgebaut (Abbildung 11). Auch bei eincr Uberhitzung ist das aus Stahl gefertigte Batte- ricgehausc bis zu Tcmpcraturen von 600 "C dicht gegeniiber einem Austritt der Reaktan- den. Der hohe Sicherheitsstandard der Na- NiC12-Batterie wurde in harten Crash-Tests bewiesen, wobei die infolge der mechanischen Zcrstorung iiincii ca. 800 "C hciflc Zel- le durch die gute thermischc Isolation aufien ,,nur" ca. 100 "C warm wurde. Allcrdings trat etwas AI(OH)3 und HC1 in Rauchforni aus. Trotz mehr als 110 000 km Fahrstrecke ohnc Batteriewechscl ist die wcitcre Zukunft dcr ZEBRA-ESF-Batterien ungewifl, d: sich Daimler-Chryslcr derzeit mchr auf Ilrenn- stoffzellen-betriebene ESF konzentricr -. Zusammenfassender Verglei ch der Akumulatoren - Ausblick: Wirkliche oder verineintliche Entwick lungs- fortschrittc der wcltwciten Forschung ;- und Entwicklungsaktivitaten (F&E) bei m icder- aufladbaren Batterien erreichen eine relativ grofic Publizitat. Doch der dadurch gtwon- nene Eindruck tauscht: LaiSt man di: vor- wiegend als Starterbatterien oder in groineren stationaren Anwendungen verwendete 1 Blei- Akkus auflcr Acht, ist dic wcltwcitc Ihrkt- durchdringung von Akkumulatoren in Con- sumer-Bereich geinessen an Stuckmhlen klcin. Bci eincni globalen Gcsamtvclumen von ca. 40 Milliarden Zellen betragt d: s Ver- tialtnis von Primarzellen (hauptsi chlich Leeblanch6 und Alkali-Mangan) zu dci wic- deraufladbaren Zellen ca. 93 : 7. Liegt der Akku-Marktanted in Deutszhland mit etwa 10 % noch recht hoch, ist er in den USA bei nur ca. 2 YO. In Regionen rnit gcringerer Kaufkraft liegt er yogar noch d:utlich daruntcr. Nebcn Kaufkraft und Kauf-rerhalten bestimmen auch Umweltbewufltsein und Gewohnheiten dcs Konsumcntcn den Warkt. In den nachsten 3-4 Jahrcn sol1 sich dic Anzahl von wiederaufladbaren Battcrier mehr als vcrdoppeln. Aufgrund der cbcnfalls zu er-
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