Natrium-Schwefel- und Natrium- Sauerstoff-Batterien
Natrium-Schwefel- und Natrium- Sauerstoff-Batterien
Natrium-Schwefel- und Natrium- Sauerstoff-Batterien
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<strong>Natrium</strong>-<strong>Schwefel</strong>- <strong>und</strong> <strong>Natrium</strong>-<br />
<strong>Sauerstoff</strong>-<strong>Batterien</strong><br />
Hauptseminar AC V<br />
Theresa Schrenker<br />
09.07.2013
Gliederung<br />
• Ausgewählte Primär- <strong>und</strong> Sek<strong>und</strong>ärzellen<br />
• Gr<strong>und</strong>prinzip<br />
• <strong>Natrium</strong>-<strong>Schwefel</strong>-Batterie<br />
• <strong>Natrium</strong>-<strong>Sauerstoff</strong>-Batterie<br />
• Anwendungen der <strong>Batterien</strong><br />
• Zusammenfassung
Übersicht ausgewählter Primär- & Sek<strong>und</strong>ärzellen
Gr<strong>und</strong>prinzip<br />
• Anode = Oxidation<br />
• Kathode = Reduktion<br />
Gewinn von elektrischer Energie
<strong>Natrium</strong>-<strong>Schwefel</strong>-Batterie<br />
Motivation:<br />
• Hohe Energiedichte<br />
• Keine Selbstentladung<br />
• Lange Lebensdauer<br />
• Batterie unter extremen Bedingungen
<strong>Natrium</strong>-<strong>Schwefel</strong>-Batterie<br />
• flüssiges <strong>Natrium</strong> als<br />
Anodenmasse<br />
• Mischung aus flüssigem<br />
<strong>Schwefel</strong> <strong>und</strong> Polysulfiden<br />
als Kathodenmasse<br />
• fester Elektrolyt = β-Al 2 O 3
<strong>Natrium</strong>-<strong>Schwefel</strong>-Batterie<br />
• = NaAl 11 O 17<br />
• = Superionenleiter<br />
• kubisch dichtest gepackte<br />
<strong>Sauerstoff</strong>schichten (A-B-C-A)<br />
Bildung von Spinellblöcken<br />
in jeder 5. Schicht fehlen ¾<br />
der Oxidionen<br />
• Al 3+ auf OL <strong>und</strong> TL<br />
• Elektrolyt leitet erst bei 350°C<br />
β-Al 2 O 3<br />
• anisotrop
<strong>Natrium</strong>-<strong>Schwefel</strong>-Batterie<br />
Entladen:<br />
Na → Na + + e -<br />
1/8 S 8 + 2 e - → S 2-<br />
Laden:<br />
Umkehrung des Prozesses<br />
Zellreaktion:<br />
2 Na + 1/8 S 8 ⇄ 2 Na + + S 2-
Polysulfide<br />
S 2- + S n S n<br />
2-<br />
Entstehende Polysulfide nehmen an den Elektrodenvorgängen<br />
teil:
Polysulfide<br />
• wachsendes n Leitfähigkeitsabnahme von Na 2 S n<br />
• abnehmendes n Schmelzpunktszunahme von<br />
Na 2 S n<br />
S 3<br />
2-<br />
(C 2v ) S 4<br />
2-<br />
(C 2 ) S 5<br />
2-<br />
(C S )<br />
bei hoher T gewinkelte Ketten
Vor- & Nachteile der<br />
<strong>Natrium</strong>-<strong>Schwefel</strong>-Batterie<br />
• Energiedichte von 100 Wh/kg<br />
• Keine nennenswerte Selbstentladung<br />
• Keine Betriebspausen möglich<br />
• Lebensdauer: recht unterschiedlich 10000 - 100000<br />
Ladezyklen möglich<br />
• Hochtemperatur-Sek<strong>und</strong>ärzelle erfordert thermische<br />
Isolierung, zusätzliche Heizsysteme<br />
• Hohe Kosten<br />
• Hoher Anschaffungspreis
<strong>Natrium</strong>-<strong>Sauerstoff</strong>-Batterie<br />
Motivation:<br />
• Angst vor steigenden Lithium-Kosten<br />
• Nutzung erneuerbarer Energie<br />
• Hohe Energiedichte bei Raumtemperatur<br />
• niedrige Spannungsverluste<br />
• geringe Überspannung
<strong>Natrium</strong>-<strong>Sauerstoff</strong>-Batterie<br />
• Raumtemperatur<br />
• festes <strong>Natrium</strong> als Anode<br />
• Kohlenstofffaser Gasdiffusionsschicht<br />
(GDL) als<br />
Kathode<br />
• Elektrolyt: 0,5M Lsg. von<br />
NaSO 3 CF 3 in C 6 H 14 O 3
<strong>Natrium</strong>-<strong>Sauerstoff</strong>-Batterie<br />
Na + O 2 NaO 2 E 0 = 2.27 V 2Na + O 2 Na 2 O 2 E 0 = 2.33 V
Bildung von NaO 2<br />
geg.:<br />
p 0 = 1053mbar; T = 25°C<br />
Kapazität = 0,36mAh<br />
∆p = 40mbar;<br />
V = 8.9cm 3<br />
n (e - ) / n (O 2 ) = 0,93<br />
Druckänderung im <strong>Sauerstoff</strong>reservoir während<br />
Entladung <strong>und</strong> Wiederaufladung der Zelle<br />
Beweist nicht nur die Bildung des NaO 2<br />
, sondern auch die Reversibilität<br />
der Reaktion!
Bildung von NaO 2<br />
Aufnahme eines Raman-Spektrums der<br />
Kathode nach Entladung der Zelle
<strong>Natrium</strong>-<strong>Sauerstoff</strong>-Batterie<br />
Entladung:<br />
Ox.: Na → Na + + e -<br />
Red.: O 2 + e - →<br />
-<br />
O 2<br />
Na + O 2 → NaO 2<br />
Ladung:<br />
• <strong>Natrium</strong> wird Kathode<br />
• GDL wird Anode<br />
Umkehrung des Prozesses
<strong>Natrium</strong>-<strong>Sauerstoff</strong>-Batterie<br />
Kohlenstoff-Kathode<br />
Kathode an der <strong>Sauerstoff</strong>schnittstelle<br />
gebildete NaO 2 -Partikel
Vor- <strong>und</strong> Nachteile<br />
• Wenig Spannungsverluste beim<br />
Laden <strong>und</strong> Entladen<br />
• Sehr geringe Überspannungen<br />
beim Laden (
Anwendungen von <strong>Natrium</strong>-<strong>Sauerstoff</strong>- <strong>und</strong><br />
<strong>Natrium</strong>-<strong>Schwefel</strong>-<strong>Batterien</strong><br />
<strong>Natrium</strong>-<strong>Schwefel</strong>-<strong>Batterien</strong>:<br />
• Elektroautos<br />
• USA: Speicher von Windstrom<br />
• Stromversorgung für Satelliten<br />
<strong>Natrium</strong>-<strong>Sauerstoff</strong>-<strong>Batterien</strong>:<br />
• Zukünftige Anwendungen: Elektroautos,<br />
Energiespeicherung
Zusammenfassung<br />
• „Viele Parameter eines elektrochemischen Systems<br />
müssen ,passend‘ sein, wenn daraus eine technisch<br />
interessante Batterie bzw. ein Akku werden soll“ (1)<br />
• „gesteigerte Leistung ist oft mit unbequemen<br />
Nebenbedingungen verb<strong>und</strong>en<br />
(z.B. hohe Betriebstemperatur ↔ hohe Kosten)“ (1)<br />
• <strong>Natrium</strong>-<strong>Sauerstoff</strong>-Batterie noch nicht einsatzreif <br />
Entwicklungs- <strong>und</strong> Optimierungsbedarf<br />
• Beide Systeme sind Akkus!!<br />
(1) H.A. Kiehne <strong>und</strong> 11Mitautoren, <strong>Batterien</strong>-Gr<strong>und</strong>lagen <strong>und</strong> Theorie, aktueller<br />
Stand <strong>und</strong> Entwicklungstendenzen, Expert Verlag, 4.Auflage, Renningen 2000
Vielen Dank<br />
für Ihre Aufmerksamkeit!
Quellen<br />
• A. F. Hollemann, E. <strong>und</strong> N. Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie, Walter de<br />
Gruyter, 102. Auflage, Berlin 2007<br />
• Karl Joachim Euler, <strong>Batterien</strong> <strong>und</strong> Brennstoffzellen, Springer Verlag, Berlin, 1982<br />
• Lautenschläger, Schröter, Wanninger, Taschenbuch der Chemie, Verlag Harri<br />
Deutsch, 20. Auflage, Frankfurt am Main, 2005<br />
• http://www.google.de/imgres?q=<strong>Natrium</strong>+sauerstoff+batterie Stand: 24.06.2013<br />
• H.A. Kiehne <strong>und</strong> 11Mitautoren, <strong>Batterien</strong>-Gr<strong>und</strong>lagen <strong>und</strong> Theorie, aktueller Stand<br />
<strong>und</strong> Entwicklungstendenzen, Expert Verlag, 4.Auflage, Renningen 2000<br />
• Lucien F.Trueb, Paul Rüetschi, <strong>Batterien</strong> <strong>und</strong> Akkumulatoren- Mobile Energiequellen<br />
für heute <strong>und</strong> morgen, Springer Verlag, Heidelberg 1998<br />
• http://www.sein.de/news/2009/august/neue-batterie-koennte-das-energieproblemloesen.html<br />
Stand: 21.06.2013<br />
• http://www.wissenschaft-aktuell.de/artikel/<strong>Natrium</strong>_statt_Lithium_NeuartigeMetall-<br />
Luft-Akkus Stand: 17.05.2013<br />
• http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2013/CP/c3cp50930c, Stand<br />
24.06.2013<br />
• P.Hartmann, C.L. Bender, M. Vracar, A.K. Dürr, A. Garsuch, J.Janek, P.Adelhelm, A<br />
rechargeable room-temperature sodium superoxide battery, March 2013<br />
• http://www.guidobauersachs.de/allgemeine/elek3.gif; Stand: 29.06.2013
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