Natrium-Schwefel-Zelle

Eine Natrium-Schwefel-Zelle ist ein wiederaufladbarer Akkumulator (so genannte Sekundärzelle). Sie wird als neuer Energiespeicher u.a. für Elektroautos diskutiert. Gegenüber anderen Akkumulator-Typen wird statt einem flüssigen Elektrolyten ein fester und flüssige Elektroden eingesetzt. Die Anode besteht aus geschmolzenem Natrium, die Kathode aus einem mit flüssigen Schwefel getränktem Graphitgewebe. Als Elektrolyt kommt ein natriumhaltiges Aluminiumoxid zum Einsatz. Da Natrium ein heftig mit Wasser reagierendes Alkalimetall ist, muss der Akku gut gegenüber Umwelteinflüssen geschützt werden.

Funktionsweise

Die NaS-Zelle ist eine Hochtemperatur-Sekundärzelle. Im Gegensatz zu vielen anderen Akkumulatoren besitzt sie keinerlei elektrochemische Selbstentladung. Allerdings ist zum Aufrechthalten der Funktionsfähigkeit ein Temperaturbereich von ca. 300 bis 350 °C erforderlich. Diese hohe Temperatur ist notwendig, da die reinen Stoffe Schwefel und Natrium aufgrund der verwendeten Bauform jeweils in flüssiger Form vorliegen müssen. Die jeweiligen Erstarrungstemperaturen müssen weit überschritten werden, damit ein ausreichender Energiefluss zustande kommt. Da bereits die Elektroden in flüssiger Form vorliegen, liegt der Elektrolyt in fester Form vor. Er besteht aus einer Natriumionen leitenden Keramik, die gleichzeitig für Elektronen ein Isolator ist. In den derzeit erhältlichen Bauformen wird hierfür Aluminiumoxid verwendet, es ist aber auch beispielsweise Natriumoxid oder Magnesiumoxid möglich.

Positive Elektrode: Schwefel

Elektrolyt: β-Al₂O₃-Keramik

Negative Elektrode: Natrium

Elektrochemie

$\mathrm {2\ Na\ +\ 3\ S\ \rightleftharpoons\ Na_2S_3 }$

Ladungsvorgang

Die Ruhespannung liegt je nach Ladezustand zwischen 1,78 und 2,08 V. Der Innenwiderstand der Zelle ist nahezu unabhängig von Ladezustand, erst gegen Ende der Ladung steigt dieser stark an. Dieses ist ein vom Ladegerät relativ einfach messbares Kriterium für das Beenden des Ladevorgangs. Während des Ladevorgangs spalten sich vom Natriumpolysulfid die positiv geladenen Natriumionen ab und wandern durch den Elektrolyt zur negativen Elektrode. Dort nehmen sie ein Elektron auf und bilden metallisches Natrium. Während der Entladung wird dieser Prozess umgekehrt.

Speicherkapazität

Natrium-Schwefel-Akkumulatoren haben eine sehr hohe Speicherkapazität im Bereich um 200 Wh/kg.^[1] Eine Demonstrationsanlage der Firma Xcel Energy mit Batterien von NGK zur Speicherung von Strom aus Windkraftanlagen für den Verkauf zu Spitzenlastzeiten mit einem Gewicht von 80 t und 7,2 MWh hat eine spezifische Speicherkapazität von 90 Wh/kg.^[2][3]

Nachweise

1. ↑ US-Patent 4,04,728, 1977
2. ↑ Xcel Energy to trial wind power storage system - 04 Mar 2008 - BusinessGreen
3. ↑ http://www.buch-der-synergie.de/c_neu_html/c_10_02_e_speichern_batterien_1.htm

Weblinks

• Elektrochemische Speichersysteme
• Batterien für Elektrostraßenfahrzeuge

Galvanische Zellen

Primärzellen:  Alkali-Mangan-Batterie | Daniell-Element | Leclanché-Element | Lithium-Batterie | Lithium-Eisensulfid-Batterie | Nickel-Oxyhydroxid-Batterie | Quecksilberoxid-Zink-Batterie | Silberoxid-Zink-Batterie | Zink-Braunstein-Zelle | Zinkchlorid-Batterie | Zink-Luft-Batterie
Sekundärzellen:  Bleiakkumulator | Natrium-Schwefel-Akkumulator | Nickel-Cadmium-Akkumulator | Nickel-Eisen-Akkumulator | Nickel-Metallhydrid-Akkumulator | Nickel-Wasserstoff-Akkumulator | Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulator | Lithium-Ionen-Akkumulator | Lithium-Mangan-Akkumulator | Lithium-Polymer-Akkumulator | Lithium-Titanat-Akkumulator | Vanadium-Redox-Akkumulator
Ausführungen:  Akkumulator | Batterie | Brennstoffzelle | Konzentrationselement | Redox-Flow-Zelle | Bestandteile: Halbzelle (Donator- und Akzeptorhalbzelle)