2.000 Wh/kg Laborversuch bringt günstigen Super-Akku hervor

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Die Leistungsdaten sind hoch: 2.000 Wh/kg Leistungsdichte, 5 Dollar pro kWh in der Produktion und das auf Basis von Natrium und Schwefel. Doch wie nahe ist der Akku an der Serie?

Der Fachartikel aus Nature berichtet über einen bedeutenden Fortschritt in der Batterietechnologie: Forscher haben eine hochvoltige Natrium-Schwefel-Batterie ohne Anode entwickelt, die theoretisch über 2.000 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg) erreichen kann, was weit über den Energiedichten aktueller Batterien liegt.

In herkömmlichen Batterien, etwa den heute verbreiteten Lithium-Ionen-Systemen, liegen die praktischen Energiedichten oft im Bereich von wenigen Hundert Wh/kg. Die neue Natrium-Schwefel-Zelle hingegen nutzt eine Kombination aus einem hochvalenten Schwefel-/Schwefeltetrachlorid-Redoxsystem (S/SCl₄) als Kathodenchemie und einem anodenfreien Aufbau, bei dem der typische Metallanoden-Block wegfällt. Stattdessen dient eine Aluminiumfolie als elektrischer Kontakt für die Natrium-Plattierung und -Abplattierung, wodurch Gewicht eingespart und die theoretische Energiedichte deutlich erhöht wird.

Zentraler technologischer Kniff ist der Einsatz eines nicht-entzündlichen chloroaluminat-basierten Elektrolyten mit Natriumdicyanamid (NaDCA). Diese Elektrolyt-Formulierung ermöglicht es, sowohl die reversible Umwandlung zwischen Schwefel und Schwefeltetrachlorid im Kathodenmaterial freizuschalten als auch eine effiziente Plattierung und Abplattierung von Natrium an der Anodenseite zu erreichen. Diese Kombination sorgt für eine relativ hohe Zellspannung von etwa 3,6 Volt und damit für eine hohe Energiemenge pro Masse. Im Labor erreichte die Zelle bei Messungen auf Basis der Gesamtmasse aller Elektrodenmaterialien eine Energiedichte von etwa 1.198 Wh/kg, was bereits ein sehr hoher Wert ist. Durch die zusätzliche Einbindung eines bismut-koordinierten kovalenten organischen Rahmenmaterials (Bi-COF) im Kathodenverbund konnte die Entladekapazität auf rund 1.206 mAh g⁻¹ erhöht werden, was zu einer berechneten Spitzen-Energiedichte von etwa 2.021 Wh/kg führte.

Diese Ergebnisse zeigen, dass das Zusammenspiel der neuen Kathodenchemie, des anodenfreien Zellaufbaus und des speziell entwickelten Elektrolyten ein Energiespeicherkonzept ermöglicht, das die Grenzen der heutigen Batterietechnologien neu definiert. Die verwendeten Materialien wie Natrium und Schwefel sind reichlich verfügbar und kostengünstig, was zusammen mit dem einfachen Zellaufbau zu einer geschätzten Produktionskosten von rund 5 US-Dollar pro Kilowattstunde führt. Ein Wert, der deutlich unter den Kosten vieler aktueller Batterien liegt. Obgleich diese Ergebnisse sehr vielversprechend sind, stehen noch Herausforderungen im Weg, bevor eine kommerzielle Nutzung möglich wird. Dazu gehören die Handhabung und Stabilität des chloroaluminat-basierten Elektrolyten sowie die Langzeitstabilität der Zellen unter realen Betriebsbedingungen. Erst wenn diese technischen Hürden gemeistert sind, könnte diese neue Natrium-Schwefel-Batterie tatsächlich eine praktische und kosteneffiziente Alternative zu den etablierten Lithium-Ionen-Systemen bieten.

Einordnung

Die von Forschern präsentiere Natrium-Schwefel-Batterie mit spektakulär klingenden 2.000 Wh/kg und 5 Dollar pro kWh benötigt also noch etwas Zeit. Die tatsächlich gemessene Energiedichte liegt bei 1.198 Wh/kg, während die 2.021 Wh/kg der theoretische Maximalwert ist. Die Kostenschätzung von 5 USD/kWh ist reine Spekulation ohne reale Produktionsdaten. Getestet wurde in winzigen Laborknopfzellen unter idealen Bedingungen.

Die technischen Herausforderungen sind erheblich: Chloraluminat-Elektrolyte sind hochreaktiv und korrosiv, Langzeitstabilität und Zyklenlebensdauer sind ungeklärt, und Sicherheitsaspekte müssen erst evaluiert werden. Der Text erweckt den Eindruck einer seriennahen Technologie, doch die Realität sieht anders aus. Von Laborerfolgen bis zur Marktreife vergehen typischerweise 10-20 Jahre, und die meisten schaffen es nie. Ein interessanter wissenschaftlicher Fortschritt, aber definitiv kein "Super-Akku" für die nahe Zukunft. (mr)

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