MIT-Forscher entwickeln Natrium-Brennstoffzelle

Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) berichten über die Entwicklung einer neuen Lösung, die dreimal so viel Energie pro Kilogramm speichern kann wie die derzeit besten Elektrofahrzeug-Batterien. In der Praxis dürfte der Speicher aber einen großen Haken mit sich bringen.

Bei dem neuen Konzept handelt es sich um eine Art Brennstoffzelle, die einer Batterie ähnelt, jedoch nicht aufgeladen, sondern schnell nachgetankt werden kann – und zwar mit flüssigem Natriummetall. Auf der anderen Seite des Systems werden Sauerstoffatome aus der Umgebungsluft genutzt. „Dazwischen dient eine Schicht aus festem Keramikmaterial als Elektrolyt und lässt Natriumionen ungehindert passieren. Eine poröse, der Luft zugewandte Elektrode ermöglicht die chemische Reaktion des Natriums mit Sauerstoff zur Stromerzeugung“, schreibt das MIT.

In ihren Experimenten konnten die Forschenden zeigen, dass diese Zelle pro Gewichtseinheit mehr als dreimal so viel Energie speichern kann wie die Lithium-Ionen-Batterien aus modernen Elektrofahrzeugen. Sprich: Die neuartige Zelle könnte damit eine leichtgewichtige Option für den Antrieb von elektrischen Lkw, Flugzeugen oder Schiffen bieten, wie das Institut in der Mitteilung ausführt. Flüssiges Natriummetall sei zudem ein „ein kostengünstiges und weit verbreitetes Produkt“.

Allerdings liegt genau bei diesem Material auch eine der großen Herausforderungen, wenn dieser Speicher aus dem Labor in die Praxis gebracht werden soll, um wirklich Lkw, Flugzeuge und Schiffe mit Strom zu versorgen. Denn Natrium ist erst bei Temperaturen von über 98 Grad flüssig. Das MIT-Team plant für sein System nachfüllbare Kartusche, die mit flüssigem Natriummetall befüllt und versiegelt wird. Nach dem Entleeren könnte die Kartusche zu einer Nachfüllstation gebracht und erneut genutzt werden. Es müsste aber eine sehr gute Isolierung oder eine Heizung (mit zusätzlichem Energiebedarf) geben, um das Natrium in der Kartusche flüssig zu halten. Wohl auch daher schlägt das MIT vor, den neuartigen Speicher eher in Lkw, Schiffen oder Flugzeugen zu nutzen, die schon aus kommerziellen Gründen so viel wie möglich in Betrieb sind und nicht lange stehen. In Privat-Pkw, die die meiste Zeit des Tages parken, wäre ein solches System wohl nicht sehr effizient.

Dafür könnte das Natrium zum Beispiel aus gut verfügbarem Natriumchlorid (also Kochsalz) hergestellt werden. Die Forscher erinnern auch daran, dass früher in den USA bereits mehr als 200.000 Tonnen Natriummetall pro Jahr hergestellt wurden – eine Volumen-Fertigung und Logistik wären also vermutlich auch heute möglich.

Geplant ist, aus dem Prototypen eine Brennstoffzelle von der Größe eines Ziegelsteins zu entwickeln, die auf etwa 1.000 Wattstunden kommen soll. Mitglieder des Forschungsteams haben bereits das Unternehmen Propel Aero gegründet, um die Technologie weiterzuentwickeln. iel ist es, das Konzept in der Praxis zu erproben und beispielsweise in der Landwirtschaft einzusetzen. Das Team hofft, eine solche Demonstration im nächsten Jahr fertigstellen zu können.

Inspiriert wurde das Team von Natrium-Luft-Batterien, die ebenfalls hohe Energiedichten versprechen. „Die Energiedichte von Metall-Luft-Batterien ist schon lange bekannt und äußerst attraktiv, wurde aber in der Praxis nie umgesetzt“, sagt Yet-Ming Chiang, Professor für Materialwissenschaft und -technik am MIT. Die Forscher haben zwar das elektrochemische Grundprinzip übernommen, es aber als Brennstoffzelle statt als Batterie ausgelegt. „Anders als bei einer Batterie, deren Materialien einmalig zusammengesetzt und in einem Behälter versiegelt werden, werden bei einer Brennstoffzelle die energietragenden Materialien ein- und ausgekoppelt“, erklärt das MIT.

Ganz emissionsfrei wäre eine solche Brennstoffzelle aber nicht: Es wird kein Kohlendioxid freigesetzt, sondern Natriumoxid – welches sogar CO2 aus der Atmosphäre aufnimmt. In Verbindung mit der Luftfeuchtigkeit würden sich aus CO2 und Natriumoxid Natriumhydroxid bilden – was häufig als Abflussreiniger verwendet wird. In einer weiteren Reaktion verbindet sich Natriumhydroxid mit CO2 zu einem Feststoff: „Natriumcarbonat, aus dem wiederum Natriumbicarbonat, auch bekannt als Backpulver, entsteht“. Und das Natriumbicarbonat könnte, wenn es im Meer landet, theoretisch zur Entsäuerung des Wassers beitragen, heißt es.

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