Zebra-Batterie

Natrium-Nickelchlorid-Batterie,Museum Autovision,Altlußheim

Natrium-Nickel-Batterie mit metallisch eingeschweißten Zellen in dicker Wärmedämmung

EineNatrium-Nickelchlorid-Zelle,auch alsZEBRA-Batterie(englischZero Emission Battery Research Activities)bezeichnet, ist ein wiederaufladbarerAkkumulator,eine sogenannteSekundärzelle.Sie zählt zu denThermalbatterien.Statt eines flüssigenElektrolytenwerden einfester Elektrolytund eine Kombination aus flüssigen und festenElektrodenverwendet. Der Akkumulator wurde inElektrofahrzeugenwieElektroautos,Hybridbussenund inElektrobusseneingebaut. Er wird inBatterie-Speicherkraftwerkenund im Bereich derRüstungsindustrieverwendet.

Geschichte und Hersteller

Thermisch aktivierte Batterien (Thermalbatterie) wurden in Deutschland schon in derV2-Raketeeingesetzt. Sie wurden von Georg Otto Erb auf Basis vonCalciumchromatbereits imZweiten Weltkriegentwickelt.

Danach wurde die Zebra-Zelle gegen Ende der 1970er Jahre von der südafrikanischen FirmaZebra Power Systems and Beta R&D Ltdausgebaut, dafür erhielt diese 1978 ein erstes Patent.Die FirmaBeta Research and Developmententwickelte die Technologie weiter, bevor sie 1988 von der späterenAEG Anglo Batteries GmbHunter Beteiligung derDaimler AGübernommen wurde. Von derAEG Anglo Batteries GmbHkamen Produktionsverfahren und seit 1994 einsatzfähigeTraktionsakkusfürElektroautos,so für dieMercedes-Benz Studie Aebenso wie für die danach als Elektroauto serienreif entwickelteA-Klasseelectric.

Nach Einstellung dieses Projektes und der Verschmelzung vonDaimler AGundChrysler-AGwurden Technologie und Patente anMES-DEAin der Schweiz verkauft.MES-DEAproduzierte Zebra-Akkus und rüstete verschiedene Kraftfahrzeuge mit Elektromotoren und Zebra-Batterien aus, u. a.Renault Twingo,SmartundFiat Panda.Am StandortStabioin der Schweiz werden die Batterien seit etwa 1998 produziert. 2010 gründeteMES-DEAmit dem italienischen BatterieherstellerFIAMMdas UnternehmenFZ Sonick,das die Batteriefertigung in Stabio sowie alle Patente und geistiges Eigentum übernahm. NachdemMES-DEAzum 1. Juli 2010 seine Anteile an FIAMM verkaufte, firmiert das Unternehmen alsFIAMM SoNick SA.SoNick steht darin für Sodium-Nickel-Chlorid. Das Geschäftsfeld Fahrzeugumrüstung wurde vonMES-DEAan die FirmaKamoo AGübergeben.

Im Jahr 2010 war die FirmaFIAMM SoNick SAin Stabio (Schweiz) nebenRolls-RoyceinGroßbritannienwesentlicher Hersteller von Zebra-Batterien. Seit 2012 fertigt auchGeneral ElectricNatrium-Nickelchlorid-Batterien und verkauft sie unter dem Namen Durathon®.Sie haben eine Leistung von 50 kW und können eine Energie von 100 kWh speichern. Zu Modulen können sie mit einer Leistung bis zu einem Megawatt und einer Energie bis zu 6 MWh zusammengestellt werden. Wegen des geringen kommerziellen Erfolgs wurde die Fertigung Anfang 2015 stark reduziert.

Aufbau und Eigenschaften

Schnittdarstellung durch eine Natrium-Nickelchlorid-Zelle

DieReaktantensindNatriumchlorid(Kochsalz), mit einer flüssigen Salzlösung ausNickelchloridund Natriumchlorid durchtränktesgesintertesNickelals positiveElektrode,und durch einen Separator getrennt im Außenbereich flüssigesNatriumals negative Elektrode. Die Trennung im Separator wird durch eine nur für Natriumionen durchlässigesemipermeableKeramikwandaufrechterhalten, die die Natriumelektrode von der Natriumchlorid/Nickelchlorid/Nickelelektrode trennt und zugleich alsFestelektrolytdient. Wesentlicher Bestandteil der Keramik istNatrium-β-aluminat(NaAl₁₁O₁₇), bei dem ab einer Temperatur von 270 °C die Natriumionen so beweglich werden, dass eine ausreichende Leitfähigkeit besteht.Vorteilhaft ist, dass das reine Natriummetall an der negativen Elektrode flüssig vorliegt, was den Aufbau inaktiver und zerstörerischer Verbindungen (Dendriten) verhindert.

Die Betriebstemperatur der durch Vakuum-Isolation wärmegedämmten Batterie beträgt typisch 300 °C (270 bis 350 °C). Die Batterie weist keine elektrochemische Selbstentladung auf, der Wirkungsgrad liegt bei rund 80 %. Allerdings muss die Zelle zur Aufrechterhaltung der Funktion auf hoher Betriebstemperatur gehalten werden, wodurch trotz thermischer Isolation eine Heizung notwendig ist. Während bei hinreichend hoher Energieentnahme die thermischen Verluste amInnenwiderstandder Zelle für das Halten der Temperatur ausreichen, ist bei Nichtnutzung eine zusätzliche Heizung notwendig, die, wenn sie ihre Leistung von der Zelle bezieht, zu einer stetigen Entladung führt.

Hinsichtlich der Lebensdauer wurde 2004 über eine Testbatterie berichtet, die seit elf Jahren im Test und über 3000 Zyklen genutzt worden ist (was etwa einem Zyklus pro Arbeitstag ausmacht). Es wurden zwei Typen vorgestellt: Beide mit je 17,8kWhEnergieinhalt, einmal bei 278Vmit 64Ahund einmal bei 557 V und 32 Ah. Die Blöcke wiegen je 195 kg mit Gehäuse und Batteriemanagement, die spezifische Energie beträgt 94 Wh/kg. Die maximale Leistung beträgt laut Hersteller rund 32 kW.Batterien, die unter den Schmelzpunkt der Salze abgekühlt waren, können durch Aufheizen reaktiviert werden. Im abgekühlten Zustand kann von einer unbegrenzten Lagerfähigkeit ausgegangen werden, da die chemischen Substanzen dann inaktiv sind. Zur Anzahl der Abkühl-/Aufheizzyklen macht der Hersteller keine offizielle Angabe. Es kann davon ausgegangen werden, dass häufiges Abkühlen und Aufheizen zu mechanischen Belastungen der keramischen Membran führt. Jedoch ist das gelegentliche Abkühlen der Batterie im praktischen Einsatz unproblematisch.

DieEnergiedichtebeträgt etwa 100–120Wh/kg.Im Vergleich dazu hat einBleiakkumulatoreine Dichte von etwa 30 Wh/kg. Pro kWh Speicherkapazität benötigt eine Zebra-Batterie 1,53 kg Nickel, 1,43 kg Eisen, 0,31 kg Kupfer, 2,24 kg NaCl und 1,43 kg Aluminiumhydroxid (Böhmit).

Die Ausgangsstoffe sind im Vergleich zu anderen Akkutechnologien in ausreichenden Mengen preiswert vorhanden. Auch die Herstellung ist relativ unkompliziert. Die derzeit hohen Kosten je Kilowattstunde erklären sich aus den geringen produzierten Stückzahlen und könnten bei automatisierter Massenproduktion deutlich gesenkt werden. In der Schweiz wurde eine Untersuchung der gesamtenÖkobilanzam Beispiel eines Twingo mit Zebra-Batterie durchgeführt. Dabei bestätigte sich, dass lediglich bei Betrieb mit reinem Kohlestrom oder sehr ungünstigem Nutzungsprofil der Zebra-Batterie (lange Standzeiten) die Umweltbilanz des Elektroautos schlechter als die von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor ausfallen kann.

Elektrochemie

Die Gesamtreaktion bei der Entladung ist:

$\mathrm {NiCl} _{2}+2\mathrm {Na} \longrightarrow \mathrm {Ni} +2\mathrm {NaCl} +{\text{elektrische Energie}}$

Bei der Ladung läuft der Vorgang in umgekehrter Richtung ab. Die Zellenspannung im Leerlauf bei geladener Zelle beträgt üblicherweise 2,58 V. Diese Spannung hängt neben dem Aufbau der Zelle auch von der Ladegeschwindigkeit ab. Daneben existieren noch weitere Varianten, beispielsweise mit Elektroden aus gesintertem Eisen statt Nickel. Diese Zellen weisen eine Leerlaufspannung von 2,35 V auf.

Anwendungen

Elektromobilität

Schon die Entwicklung der Zebra-Batterie war eng mit der Elektromobilität, ausgelöst durch dieCARB-Gesetzgebung in Kalifornien, verknüpft.MES-DEAhat dann bis 2009 Zebra-Akkus produziert und auch Kraftfahrzeuge mit Elektromotoren und Zebra-Batterien ausgerüstet, u. a.Renault Twingo,SmartundPanda.Diese wurden in der Schweiz und Italien vertrieben. Auch im Überland-Hybridbus O 405 NÜH, einemDuo-Bus,wurde 1996 eine 800 kg schwereTraktionsbatterieauf dem Fahrzeugdach verbaut.

Das derzeit bekannteste Auto mit Zebra-Batterie ist derThink Cityund derSmartEV in einer limitierten Auflage fürLondon,GB. Auch der weltweit größte Hersteller von Elektrovans und ElektrolasternSmith Electric Vehicleshat Zebra-Batterie-Packs genutzt, so z. B. für den Smith Newton Range, ein 7,5-Tonner mit einem 120-Kilowatt-Elektromotor. Auch inHybridbussenin Italien und vollelektrischen Bussen in Kalifornien wurden ZEBRA-Batterien ausgerüstet.Zebra-Batterien sind in verschiedenen Elektrofahrzeugen auch in Deutschland im Einsatz, u. a. in einem Daimler-Bus MB410E des BIMAQ, Bremen und in einem von der Firma Krebs und Aulich auf Elektroantrieb umgerüsteten Audi A2. In Frankreich wurde 2011/2012 die Post mit Elektrofahrzeugen vom TypPeugeot PartnerundCitroën Berlingoausgerüstet, die mit Zebra-Akkumulatoren ausgestattet sind. Die Ausrüstung erfolgte beiVenturi.Auch der TransporterIveco Daily Electricist mit einer ZEBRA-Batterie ausgerüstet, dieser wird z. B. von der Deutschen Post DHL seit 2011 in geringer Stückzahl testweise eingesetzt.Obwohl die käuflichen Elektrofahrzeuge mit langsamen Bordladern ausgerüstet sind, wurde im Prospekt der Daimler-AG (Seite:8)eine Schnelllademöglichkeit erwähnt. In der deutschen Übersetzung heißt es: „Das Laden der Batterien über das eingebaute Ladegerät dauert bei Vollentladung sieben Stunden. Mit externen Ladegeräten lässt sich der Ladevorgang auf eine Stunde verkürzen. “

Mobilfunk-Basisstationen und Speicherkraftwerke

Wegen der langen Haltbarkeit und unproblematischen Beheizung als Stationärbatterie an einem stromversorgten Ort werden sie zunehmend in Mobilfunk-Basisstationenals Pufferakku verbaut. Hersteller ist beispielsweiseGeneral Electric.

Es gibt über ein Dutzend Stromspeicherkraftwerke, die Natrium-Nickelchlorid-Batterien nutzen; etwa zehn weitere waren 2014 im Bau.Die momentan stärkste ist in Kanada im Einsatz, stammt vonGeneral Electricund kann zwei Stunden lang ein Megawatt leisten.

Waffensysteme

Wegen ihrer hohen Energiedichte und Zuverlässigkeit werden ZEBRA-Batterien auch inWaffensystemenwieU-BootenundRaketeneingesetzt. Europäische Hersteller sind z. B.Rolls-Royce.Rolls-Royce bietet ZEBRA-Batterien von 24 V bis 1000 V und mit einer Kapazität von 2 kWh bis 50 kWh an.

Literatur

• R. A. Guidotti, P. Masset:Thermally activated („thermal “) battery technology Part I: An overview.In:Journal of Power Sources.Band161,Nr.2,2006,S.1443 bis 1449,doi:10.1016/j.jpowsour.2006.06.013.
• Jeffrey W. Braithwaite, William L. Auxer:Sodium-Beta Batteries.In: David Linden (Hrsg.):Handbook of Batteries.2. Auflage. McGraw-Hill, 2002,ISBN 0-07-135978-8,Kap.40.

Weblinks

• Homepage von Fiamm SoNick
• Varta-Batterielexikon: Die Entwicklung der Batterie
• Elektroversionen desFiat Panda(PDF; 223 kB) undRenault Twingo(PDF; 325 kB) mit Zebras
• Fahrbericht Renault Twingo elettrica mit Zebra-Batterie
• Smart bekommt Elektromotor – Eine Elektroversiondes Smart Fortwo feiert nun in Großbritannien Premiere. 13. Juli 2006. Damit soll 2007 ein Großversuch mit 100 Wagen in London starten
• Elektromobilität im Tessin,PDf Artikel zu MES-DEA /FZ Sonick und Elektromobilität
• The Rolls-Royce ZEBRA concept

Einzelnachweise

V–D

Galvanische Zellen

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