Batterien stoßen an ihre Grenzen, wenn es darum geht, wie viel Energie sie bei einem bestimmten Gewicht speichern können. Das ist ein ernsthaftes Hindernis für Energieinnovationen und die Suche nach neuen Wegen zur Stromversorgung von Flugzeugen, Zügen und Schiffen. Jetzt haben Forscher am MIT eine Lösung gefunden, die dazu beitragen könnte, diese Transportsysteme zu elektrifizieren.
Brennstoffzelle statt Batterie
Anstelle einer Batterie ist das neue Konzept eine Art Brennstoffzelle, die einer Batterie ähnelt, aber schnell aufgetankt und nicht wieder aufgeladen werden kann. In diesem Fall ist der Brennstoff flüssiges Natriummetall, ein preiswerter und weithin verfügbarer Rohstoff. Die andere Seite der Zelle besteht aus gewöhnlicher Luft, die als Quelle für Sauerstoffatome dient. Dazwischen befindet sich eine Schicht aus festem keramischem Material, die als Elektrolyt dient und Natriumionen ungehindert durchlässt.
In einer Reihe von Experimenten mit einem Prototyp zeigten die Forscher, dass diese Zelle mehr als dreimal so viel Energie pro Gewichtseinheit liefern kann wie die Lithium-Ionen-Batterien, die heute in fast allen Elektrofahrzeugen verwendet werden. „Wir erwarten, dass die Leute das für eine völlig verrückte Idee halten“, sagt Chiang, der Kyocera-Professor für Keramik ist. „Wenn sie das nicht täten, wäre ich ein wenig enttäuscht, denn wenn die Leute etwas nicht sofort für total verrückt halten, wird es wahrscheinlich nicht so revolutionär sein.“ Und diese Technologie scheint das Potenzial zu haben, ziemlich revolutionär zu sein, meint er. Vor allem in der Luftfahrt, wo das Gewicht besonders wichtig ist, könnte eine solche Verbesserung der Energiedichte der Durchbruch sein, der elektrisch betriebenes Fliegen endlich in großem Maßstab praktikabel macht.
„Die Schwelle, die man für eine realistische elektrische Luftfahrt braucht, liegt bei etwa 1.000 Wh pro kg“, sagt Chiang. Die heutigen Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge erreichen maximal 300 Wh pro kg – das reicht bei weitem nicht aus. „Selbst bei 1.000 Wh pro kg wäre das nicht genug, um transkontinentale oder transatlantische Flüge zu ermöglichen“, so Chiang. Das ist für jede bekannte Batteriechemie noch unerreichbar, aber laut Chiang wäre das Erreichen von 1.000 W pro kg eine Grundlagentechnologie für die regionale elektrische Luftfahrt, die etwa 80 Prozent der Inlandsflüge und 30 Prozent der Emissionen der Luftfahrt ausmacht.
Die Technologie könnte auch für andere Sektoren, wie den Schiffs- und Schienenverkehr, von Bedeutung sein. „Sie alle erfordern eine sehr hohe Energiedichte und niedrige Kosten“, sagt er. „Und das ist es, was uns an Natriummetall gereizt hat“. In den letzten drei Jahrzehnten wurde viel Forschung in die Entwicklung von Lithium-Luft- oder Natrium-Luft-Batterien gesteckt, aber es war schwierig, sie vollständig wiederaufladbar zu machen. „Die Energiedichte, die man mit Metall-Luft-Batterien erreichen könnte, ist den Menschen schon lange bekannt und äußerst attraktiv, aber in der Praxis wurde sie nie umgesetzt“, sagt Chiang.
Mehr Energie mit weniger Gewicht
Durch die Verwendung desselben elektrochemischen Grundkonzepts, nur dass es sich um eine Brennstoffzelle und nicht um eine Batterie handelt, konnten die Forscher die Vorteile der hohen Energiedichte in eine praktische Form bringen. Im Gegensatz zu einer Batterie, deren Materialien einmal zusammengesetzt und in einem Behälter versiegelt werden, gehen bei einer Brennstoffzelle die energieliefernden Materialien ein und aus.
Das Team stellte zwei verschiedene Versionen eines Prototyps des Systems im Labormaßstab her. In der einen, der sogenannten H-Zelle, sind zwei vertikale Glasröhren durch ein Rohr in der Mitte verbunden, das ein festes keramisches Elektrolytmaterial und eine poröse Luftelektrode enthält. Das flüssige Natriummetall füllt die Röhre auf der einen Seite, und durch die andere strömt Luft, die den Sauerstoff für die elektrochemische Reaktion in der Mitte liefert, bei der der Natriumbrennstoff nach und nach verbraucht wird. Der andere Prototyp ist horizontal aufgebaut, wobei eine Schale mit dem Elektrolytmaterial den flüssigen Natriumbrennstoff enthält. Die poröse Luftelektrode, die die Reaktion erleichtert, ist am Boden der Schale befestigt.
Tests, bei denen ein Luftstrom mit sorgfältig kontrollierter Luftfeuchtigkeit verwendet wurde, ergaben einen Wert von mehr als 1.500 Wh pro kg auf der Ebene eines einzelnen „Stapels“, was über 1.000 Wh auf der Ebene des gesamten Systems bedeuten würde, so Chiang. Die Forscher stellen sich vor, dass für den Einsatz dieses Systems in einem Flugzeug Brennstoffzellen mit Zellstapeln in die Brennstoffzellen eingesetzt werden, ähnlich wie die Tabletts in einer Cafeteria; das Natriummetall in diesen Stapeln wird chemisch umgewandelt, während es die Energie liefert. Dabei wird ein Strom chemischer Nebenprodukte freigesetzt, der im Falle von Flugzeugen aus dem hinteren Teil des Flugzeugs ausgestoßen wird, ähnlich wie die Abgase eines Düsentriebwerks.
Sauberer Strom mit Nebeneffekt: CO₂ wird gebunden
Aber es gibt einen großen Unterschied: Es würden keine Kohlendioxidemissionen entstehen. Stattdessen würden die Emissionen, die aus Natriumoxid bestehen, Kohlendioxid aus der Atmosphäre aufsaugen. Diese Verbindung würde sich schnell mit der Feuchtigkeit in der Luft zu Natriumhydroxid verbinden – ein Material, das häufig als Abflussreiniger verwendet wird –, das sich leicht mit Kohlendioxid zu einem festen Material, Natriumkarbonat, verbindet, das wiederum Natriumbikarbonat bildet, das auch als Backpulver bekannt ist. „Es gibt diese natürliche Kaskade von Reaktionen, die abläuft, wenn man mit Natriummetall beginnt“, sagt Chiang. „Es ist alles spontan. Wir müssen nichts tun, damit es passiert, wir müssen nur das Flugzeug fliegen.“
Wenn das Endprodukt, das Natriumbicarbonat, in den Ozean gelangt, könnte es außerdem zur Entsäuerung des Wassers beitragen und damit eine weitere schädliche Auswirkung der Treibhausgase abmildern. Die Verwendung von Natriumhydroxid zur Abscheidung von Kohlendioxid wurde bereits als Möglichkeit zur Verringerung der Kohlendioxidemissionen vorgeschlagen, ist aber für sich genommen keine wirtschaftliche Lösung, da die Verbindung zu teuer ist. „Aber hier ist es ein Nebenprodukt“, erklärt Chiang, das heißt, es ist erzeugt im Grunde kostenlos Vorteile für die Umwelt.
Außerdem sei die neue Brennstoffzelle laut Chiang von Natur aus sicherer als viele andere Batterien. Natriummetall ist extrem reaktiv und muss gut geschützt werden. Wie bei Lithiumbatterien kann sich Natrium spontan entzünden, wenn es Feuchtigkeit ausgesetzt wird. „Bei einer Batterie mit sehr hoher Energiedichte ist die Sicherheit immer ein Problem, denn wenn die Membran, die die beiden Reaktanten trennt, reißt, kann es zu einer Durchlaufreaktion kommen“, sagt Chiang. Aber in dieser Brennstoffzelle besteht eine Seite nur aus Luft, „die verdünnt und begrenzt ist. Man hat also nicht zwei konzentrierte Reaktanten direkt nebeneinander. Wenn man eine wirklich hohe Energiedichte anstrebt, sollte man aus Sicherheitsgründen lieber eine Brennstoffzelle als eine Batterie verwenden.“
Skalierbar, sicher und marktnah
Obwohl das Gerät bisher nur als kleiner, einzelliger Prototyp existiert, sollte es laut Chiang recht einfach sein, das System auf praktische Größen für die Vermarktung zu skalieren. Mitglieder des Forschungsteams haben bereits ein Unternehmen, Propel Aero, gegründet, um die Technologie zu entwickeln. Das Unternehmen ist derzeit in The Engine, dem Gründerzentrum des MIT, untergebracht.
Die Herstellung einer ausreichenden Menge an Natriummetall, um diese Technologie weltweit in großem Maßstab einsetzen zu können, dürfte praktisch sein, da das Material schon früher in großem Maßstab hergestellt wurde. Als verbleites Benzin die Norm war, bevor es aus dem Verkehr gezogen wurde, wurde Natriummetall zur Herstellung von Tetraethylblei verwendet, das als Zusatzstoff verwendet wurde, und es wurde in den USA mit einer Kapazität von 200.000 t pro Jahr hergestellt. „Es erinnert uns daran, dass Natriummetall einst in großem Maßstab hergestellt und in den USA sicher gehandhabt und verteilt wurde“, sagt Chiang. Außerdem wird Natrium hauptsächlich aus Natriumchlorid oder Salz gewonnen und ist daher im Gegensatz zu Lithium und anderen Materialien, die in den heutigen Batterien für Elektrofahrzeuge verwendet werden, reichlich vorhanden, weltweit verbreitet und leicht zu gewinnen.
Das geplante System würde eine nachfüllbare Patrone verwenden, die mit flüssigem Natriummetall gefüllt und versiegelt wird. Wenn die Patrone leer ist, wird sie zu einer Nachfüllstation gebracht und mit frischem Natrium befüllt. Natrium schmilzt bei 98 °C, also knapp unter dem Siedepunkt von Wasser, so dass es sich leicht auf den Schmelzpunkt erhitzen lässt, um die Patronen aufzufüllen. Zunächst ist geplant, eine ziegelsteingroße Brennstoffzelle herzustellen, die etwa 1.000 Wh Energie liefern kann – genug, um eine große Drohne anzutreiben –, um das Konzept in einer praktischen Form zu erproben, die zum Beispiel in der Landwirtschaft eingesetzt werden könnte. Das Team hofft, eine solche Demonstration innerhalb des nächsten Jahres fertigstellen zu können.
Interdisziplinäre Forschung macht den Unterschied
Sugano, die einen Großteil der experimentellen Arbeiten im Rahmen ihrer Doktorarbeit durchführte und nun bei dem Start-up arbeiten wird, sagt, eine wichtige Erkenntnis sei die Bedeutung der Feuchtigkeit in dem Prozess gewesen. Als sie das Gerät zunächst mit reinem Sauerstoff und dann mit Luft testete, stellte sie fest, dass der Feuchtigkeitsgehalt der Luft für die Effizienz der elektrochemischen Reaktion entscheidend ist. Die feuchte Luft führte dazu, dass das Natrium seine Entladungsprodukte in flüssiger und nicht in fester Form produzierte, was es viel einfacher machte, diese durch den Luftstrom durch das System zu entfernen. „Der Schlüssel war, dass wir diese flüssigen Entladungsprodukte bilden und leicht entfernen können, im Gegensatz zu den festen Entladungen, die sich unter trockenen Bedingungen bilden würden“, so Sugano.
Ganti-Agrawal merkt an, dass das Team aus einer Vielzahl verschiedener technischer Teilbereiche schöpfte. So wurde zum Beispiel viel über Hochtemperatur-Natrium geforscht, aber nicht über ein System mit kontrollierter Feuchtigkeit: „Bei der Entwicklung unserer Elektrode haben wir uns von der Brennstoffzellenforschung inspirieren lassen, wir haben ältere Forschungen zu Hochtemperaturbatterien sowie einige aufkommende Forschungen zu Natrium-Luft-Batterien herangezogen und sie miteinander kombiniert, was zu dem großen Leistungssprung geführt hat, den das Team erreicht hat.“
