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Natrium-Luft-Akkus

Wasserfreies Elektrolyt-Lösungsmittel bringt Stabilität

9. November 2016, 7:38 Uhr | Hagen Lang

Wasserfreie Lösungsmittel für den Elektrolyten von Natrium-Luft-Akkus könnten die neuen Akkus praktikabel machen.

Die theoretisch sehr hohe Leistungsfähigkeit von Natrium-Luft-Akkus konnte praktisch noch nicht erreicht werden. Die grundsätzliche chemische Problematik haben Forscher durch hochkonzentrierte Elektrolyte jetzt ein Stück weit entschärft.

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Alkalimetall-Luft-Akkus haben theoretisch eine unerreichte 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 (O₂) an die Luft abgegeben, an der negativen Elektrode das Alkalimetall wieder abgeschieden.

Bislang ist aber die Wiederaufladbarkeit unzureichend und zahlreiche Nebenreaktionen beeinträchtigen die Stabilität. Bei Konstruktionen mit Lithium verstopft das entstehende Lithiumperoxid die poröse Elektrode. Das als Rohstoff viel leichter verfügbare Natrium könnte eine bessere Wahl sein: In Natrium/Luft-Zellen entsteht überraschenderweise nicht Natriumperoxid, sondern vor allem Natriumsuperoxid (NaO₂), das beim Laden nahezu reversibel wieder in die Elemente zerlegt werden kann.

Notwendig ist ein wasserfreies, aprotisches Lösungsmittel (das keine Wasserstoffionen H+ abspalten kann) für den Elektrolyten. Dimethylsulfoxid (DMSO) wäre für elektrochemische Anwendungen die Wahl – reagiert aber leider allzu gern mit Natrium zu problematischen Reaktionsprodukten.

Mingfu He, Kah Chun Lau, Yiying Wu und ihr Team von der Ohio State University, der California State University sowie dem Argonne National Laboratory (USA) haben dafür jetzt einen Lösungsansatz: Eine sehr hohe Konzentration des organischen Salzes Natriumtrifluormethansulfonimid (NaTFSI) stabilisiert DMSO gegenüber Natrium.

Anhand von Raman-Spektroskopie von NaTFSI/DMSO-Elektrolytlösungen sowie Simulationsrechnungen ermittelten die Wissenschaftler, dass in der hochkonzentrierten Lösung eine Struktur aus locker vernetzten Na(DMSO)3TFSI-Einheiten entsteht, 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 6 Zyklen überstanden.