13. Natrium-Batterien

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Ludo Kappel
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1 13. Natrium-Batterien Natrium/Schwefel-Batterie [1] 1972 Entwicklungsbeginn bei der damaligen BBC 1996 Abbruch der Entwicklung bei ABB Die Natrium-Schwefel-Batterie arbeitet mit flüssigen Elektroden. Das bringt den Nachteil mit sich, dass die Betriebstemperatur C betragen muss. Warum flüssige Elektroden? Von der Bleibatterie her weiss man, dass durch das ständige Laden und Entladen die Kristalle der aktiven Masse verändert werden. Im flüssigen Zustand entfällt dieses Problem. Deshalb dürfte man theoretisch, mit einer unbegrenzten Zyklenzahl rechnen. Die Zyklenzahl wurde mit 1'000 angegeben. Abbildung 1: Prinzip der Natrium/Schwefel-Batterie Das Elektrodenmaterial besteht aus flüssigem Natrium und Schwefel und der Elektrolyt aus einem ionenleitenden Keramikkörper. Abbildung 2: Aufbau der Natrium/schwefel-Batterie 13-1

Von der Bleibatterie her weiss man, dass durch das ständige Laden und Entladen die Kristalle der aktiven Masse verändert werden. Im flüssigen Zustand entfällt dieses Problem.

2 Das reaktionsfreudige Natrium befindet sich in einem stabilen Rohr im Zentrum des Elementes. Dieses Rohr dient als Sicherheitsbehälter. Durch die unten angeordnete Bohrung kann nur eine geringe Menge Natrium entweichen. Dadurch wird garantiert, dass beim Bruch des Keramik-Elektrolyten keine heftige Reaktion erfolgt. Zwischen dem inneren Rohr und dem ebenfalls rohrförmigen Keramik-Elektrolyt befindet sich nur ein kleiner Zwischenraum. Dadurch entsteht eine Kapillarwirkung, das heisst das flüssige Natrium bedeckt immer die ganze Oberfläche des Keramikrohrs. Auf diese Weise wird die Reaktionsfläche konstant gehalten. Die chemische Reaktion erfolgt nach der Gleichung: entladen 2 Na + 3S _ Na 2 S 3 laden Stromerzeugung: - an der negativen Natrium-Elektrode: entladen Na _ Na + + e - laden - an der positiven Schwefelelektrode: entladen (x-1)na 2 S x + 2Na _ xna 2 S (x-1) laden x = 3, 4 oder 5 gemäss dem Phasendiagramm Da Schwefel keine elektronische und ionische Leitfähigkeit besitzt, wird er in der positiven Elektrode in Gegenwart von geschmolzenem Polysulfid (Ionenleiter) aufgesaugt in einer Graphitfilzmatrix (Elektronenleiter). Der Polysulfid ist gleichzeitig auch Reaktant. Abbildung 3: Phasendiagramm 13-2

Zwischen dem inneren Rohr und dem ebenfalls rohrförmigen Keramik-Elektrolyt befindet sich nur ein kleiner Zwischenraum.

3 Wärmehaushalt Abbildung 4: Prinzip der Temperaturstabilisierung Zur Sicherstellung der richtigen Betriebstemperatur muss die Batterie je nach Bedarf, entweder aufgeheizt oder gekühlt werden. Dazu dient eine automatische Regelung, welche sich ausserhalb der Batterie befindet. Die Wärmeisolation erfolgt durch ein doppelwandiges Gehäuse. Da im Zwischenraum Vakuum herrscht, wird ein sehr kleiner Wärmeleitwert von 0,004 W/mK erreicht. Beim Stillstand des Fahrzeuges benötigt die Batterie eine Leistung von etwa 80 W zur Erhaltung der Betriebstemperatur. Diese Leistung wird der Batterie oder dem Netz entnommen. Das Aufheizen der Batterie dauert 24 h. Geschultes Fachpersonal kann diese Zeit mit Zusatzgeräten auf 6 h reduzieren. Dieser Temperaturwechsel sollte aber nicht mehr als 30 mal durchgeführt werden. Technische Daten einer Zelle des Typs A08 Masse: 400 g Durchmesser: 38 mm Länge: 225 mm Kapazität K 1 : 40 Ah Energiedichte bei K 1 : 175 Wh/kg Ruhespannung: 2,08 V Innenwiderstand: 8 mω Technische Daten einer Batterie des Typs B17 mit 4 parallelen Strängen à 60 Zellen in Serienschaltung Masse: 175 kg Länge: 730 mm Breite: 540 mm Höhe: 315 mm Kapazität K 1 : 160 Ah Energiedichte bei K 1 : 104 Wh/kg Ruhespannung: 120 V Innenwiderstand: 120 mω 13-3

Da im Zwischenraum Vakuum herrscht, wird ein sehr kleiner Wärmeleitwert von 0,004 W/mK erreicht.

4 Batteriekapazität in Funktion der Entladezeit der Batterie 200 V 180 Ah Abbildung 5: Kapazität/Entladezeit-Kennlinie Beispiel: Ein Mittelklassewagen hat einen durchschnittlichen Energieverbrauch von 150 Wh/km. Bestimmen Sie mit Hilfe dieses Diagramms die Reichweiten bei 1-stündiger und 2-stündiger Entladung! [196 km] [216 km] 13-4

durchschnittlichen Energieverbrauch von 150 Wh/km.

5 Sicherheit Für den Betrieb in Fahrzeugen müssen die Batterien rüttelfest und unfallsicher sein. Die Natrium-Schwefelbatterie hat folgende Tests bestanden: - Rütteltest nach DIN VDE 0122 mit: - 10 Hz bis 150 Hz, 1 Oktave/min, 20 m/s 2-10 min bei Resonanzfrequenz mit 20 m/s 2 - Crashtest mit 50 km/h, abgebremst in 0,08 s - Deformation um 100 mm mit 180 kn - Feuereinwirkung mit 50 l Benzin, direkt unter der Batterie verbrannt. Dabei erwärmte sich die Batterie im Innern um 5 K. Recycling Für 97,5 % dieser Batterie soll Recycling möglich sein. Die restlichen 2,5 % können ohne Probleme entsorgt werden. Beispiel Eine Natrium-Schwefel-Batterie hat besteht aus 4 parallelen Strängen à 96 Zellen. Die Masse der Batterie beträgt 265 kg. Davon haben die Zellen einen Anteil von 55 %. Die technischen Daten einer Zelle lauten: - Masse 400 g - K 1,5 39 Ah - Ruhespannung 2,08 V - Innenwiderstand 7 mω - Berechnen Sie die Kapazität K 1,5 für die ganze Batterie! [156 Ah] - Berechnen Sie die Ruhespannung für die ganze Batterie! [199,68 V] - Berechnen Sie den Innenwiderstand für die ganze Batterie! [168 mω] - Berechnen Sie die Energiedichte der ganzen Batterie! [117,72 Wh/kg] - Berechnen Sie die Höchstleistung welche dieser Batterie entnommen werden kann! [59,33 kw] - Wie gross wird, mit diesen Daten, die Reichweite eines Fahrzeuges, welches im Durchschnitt 100 Wh/km verbraucht? [311,5 km] - Berechnen Sie den Strom, wenn der Antriebsmotor eine Leistung von 14 kw aufnimmt! [1'114 / 74,82 A] 13-5

km/h, abgebremst in 0,08 s - Deformation um 100 mm mit 180 kn - Feuereinwirkung mit 50 l Benzin, direkt unter der Batterie verbrannt. Dabei erwärmte sich die Batterie im Innern um 5 K.

6 13.2. Natrium/Nickelchlorid-Batterie [2] ZEBRA-Batterie (Zero Emission Batterie Research Activity) [3][4] Der Aufbau dieser Batterie gleicht der Natrium/Schwefel-Batterie. Die Batterie hat eine Betriebstemperatur von C. Kennwerte für den Zellentyp ML 1-C: Ruhespannung: 2,58 V theoretische Energiedichte: 650 Wh/kg praktisch erreichte Energiedichte: 116 Wh/kg positive Elektrode (geladen): Nickelchlorid/Nickel negative Elektrode (geladen): Natrium chemische Reaktion: 2 Na + NiCl 2 _ 2 NaCl + Ni Abbildung 6: Aufbau der Zelle 1 Stahlgehäuse 2 negative Elektrode; Natrium 3 Festelektrolyt β-al 2 O 3 4 Schmelzelektrolyt NaAlCl 4 5 Nickel-Ableitkontakt 6 Positive Elektrode Nickelchlorid/Nickel Die Zellen werden zu Batteriepaketen zusammengebaut. Diese besitzen ein integriertes Batteriemanagement bestehend aus: - Flüssigkeitskühlung - Interfacebox mit zwei Hauptschützen zur galvanischen Trennung der Batterie vom Fahrzeug - Ueberwachung der wesentlichen Betriebsparameter Beim Typ Z 11 wird ein Nennenergieinhalt von 29 kwh erreicht. 13-6

Kennwerte für den Zellentyp ML 1-C: Ruhespannung: 2,58 V theoretische Energiedichte: 650 Wh/kg praktisch erreichte Energiedichte: 116 Wh/kg positive Elektrode (geladen): Nickelchlorid/Nickel negative

7 Lade- Entladekennlinie der ZEBRA-Batterie [5] Die folgende Darstellung zeigt, dass diese Zelle überladen und überentladen werden kann. Diese Eigenschaft ist besonders vorteilhaft, wenn die Zellen parallel geschaltet werden. Dabei können unterschiedliche Zustände der Zellen einen Ausgleichsstrom in der Batterie verursachen. Abbildung 7: Lade- und Entladekennlinie Literaturverzeichnis [1] ABB: Technische Dokumentation [2] Böhm Harald: Eine neue Hochenergiebatterie, Technische Rundschau, Ausgabe 45/90 [3] ATZ: Die neue ZEBRA-Batterie auf dem Prüfstand, Automobiltechnische Zeitschrift 99 (1997)5 [4] Kranz Herbert H., Prassek Arnd und Traub Florian: A-Klasse-Elektrofahrzeug mit ZEBRA- Batteriesystem, Daimler-Benz AG [5] Naunin Dietrich: Elektrische Strassenfahrzeuge, expert-verlag, Band 255, ISBN

Abbildung 7: Lade- und Entladekennlinie Literaturverzeichnis [1] ABB: Technische Dokumentation [2] Böhm Harald: Eine neue Hochenergiebatterie, Technische Rundschau, Ausgabe 45/90 [3] ATZ: Die neue

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