09.11.2016

Salziger Akku

Natrium-Luft-Akkus mit verbesserter Zyklen­festig­keit dank hoch­kon­zen­triertem Elek­tro­lyten

Ob Smartphone, Laptop oder Elektroauto – ein leistungsfähigerer Akku steht ganz oben auf der Wunsch­liste der Nutzer. Auf der Suche nach der nächsten Akku-Gene­ration ist der Natrium-Luft-Akku in den Fokus gerückt. Theore­tisch sollte er eine bisher uner­reichte Leis­tungs­fähig­keit bieten, nur hapert es an der prak­tischen Um­setzung. Dieser sind Forscher jetzt einen Schritt näher ge­kommen: Eine hoch­konzen­trierte Elektro­lyt­lösung könnte den Natrium-Luft-Akku stabiler und damit prak­ti­kabel machen.

Abb.: Schematischer Aufbau des Natrium-Luft-Akkus. (Bild: Wiley-VCH)

Alkalimetall-Luft-Akkus haben eine besonders hohe theore­tische Energie­dichte. Eine der Elek­troden besteht aus dem reinen Alkali-Metall. Beim Ent­laden gibt sie Elek­tronen in den Strom­kreis und posi­tiv geladene Metall-Ionen an den Elek­tro­lyten ab. Die Gegen­elek­trode aus porösem Kohlen­stoff ist in Kontakt mit der Luft. Hier wird Sauer­stoff durch Auf­nahme von Elek­tronen in Gegen­wart der Metall­ionen redu­ziert. Dabei können verschie­dene Metall­oxid-Verbin­dungen ent­stehen. Bei der Ladung des Akku­mu­la­tors kehrt sich dieser Vor­gang um: An der posi­tiven Elek­trode wird Sauer­stoff an die Luft abge­geben, an der nega­tiven Elek­trode das Alkali­metall wieder abge­schieden.

Eine Reihe grundsätzlicher Probleme stehen einer praktischen Um­setzung noch im Wege: die unzu­rei­chende Wieder­auf­lad­bar­keit und zahl­reiche Neben­reak­tionen, die die Stabi­lität beein­träch­tigen. Zudem ver­stopft bei An­sätzen mit Lithium das ent­ste­hende Lithium­per­oxid die poröse Elek­trode. Das als Roh­stoff leichter ver­füg­bare Natrium könnte eine bessere Wahl sein: In Natrium-Luft-Zellen ent­steht über­raschen­der­weise nicht Natrium­per­oxid, sondern vor allem Natrium­super­oxid, das beim Laden nahezu rever­sibel wieder in die Ele­mente zer­legt werden kann.

Notwendig ist ein wasserfreies, aprotisches Lösungsmittel für den Elektro­lyten. Dimethyl­sulf­oxid wäre für elek­tro­che­mische Anwen­dungen die Wahl – rea­giert aber leider allzu gern mit Natrium zu pro­blema­tischen Reak­tions­pro­dukten. Mingfu He von der Ohio State Univer­sity und seine Kollegen haben dafür jetzt einen Lösungs­ansatz: Eine sehr hohe Konzen­tra­tion des orga­nischen Salzes Natrium­tri­fluor­methan­sulfo­nimid stabi­li­siert Dimethyl­sulf­oxid gegen­über Natrium.

Anhand von Raman-Spektroskopie von NaTFSI/DMSO-Elektrolyt­lösungen sowie Simu­lations­rech­nungen konnten die Wissen­schaftler er­klären, warum: In der hoch­kon­zen­trierten Lösung ent­steht eine Struk­tur aus locker ver­netzten Na(DMSO)3TFSI-Ein­heiten, die einen großen Anteil der DMSO-Mole­küle bindet, sodass nur noch wenige für eine Reak­tion zur Ver­fü­gung stehen. Das Natrium zer­setzt dann vorzugs­weise TFSI-Anionen – was vor­teil­haft ist, da die Produkte eine passi­vie­rende Schutz­schicht auf der Natrium-Elektrode bilden. Die Forscher konstru­ierten einen kleinen Akku, der gute elek­tro­che­mische Eigen­schaften zeigte und 150 Lade/Entlade-Zyklen ohne nennens­werte Leis­tungs­ein­bußen durch­lief, während Zellen mit einer ver­dünnten Elektro­lyt­lösung ledig­lich sechs Zyklen über­standen.

W-VCH / RK

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