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Natrium-Nickelchlorid-Batterie

Synonym: ZEBRA-Batterie
Abkürzung: Na-NiCl2-Batterie

Natrium-Nickelchlorid-Batterien zählen zu den Thermalbatterien. 1984 wurde ein erster Multi-kWh-Prototyp erfolgreich in einem Elektroauto getestet.

Natrium-Nickelchlorid-Batterien werden auch als ZEBRA-Batterien bezeichnet. Diese Abkürzung stand zunächst für englisch Zeolite Battery Research in Africa, dem Code-Namen für ein geheimes wissenschaftliches Forschungsprojekt in Südafrika, in dessen Rahmen die Natrium-Nickelchlorid-Batterie entwickelt wurde. Weil der Name sich auf eine andere Technologie bezieht, die erforscht werden sollte, wurde die Bedeutung der Abkürzung dann aber geändert in englisch Zero Emission Battery Research Activities „Null-Emissionsbatterie-Forschungsaktivitäten“.1 Der Zebra-Batteriebegriff ist etwas weiter gefasst als der Begriff Natrium-Nickelchlorid-Batterie, weil er generell alle Typen von Übergangsmetallchloriden einbezieht, die in solchen Batterien eingesetzt werden können – also etwa auch Eisenchlorid (chemische Formel FeCl2).

Aufbau

Die Kathode besteht hauptsächlich aus Nickel und Natriumchlorid (chemische Formel NaCl), die Anode meist aus Natrium. Wie in der Natrium-Schwefel-Thermalbatterie wird als Separator und Elektrolyt keramisches β-Aluminiumoxid eingesetzt, das Natrium-Ionen zwischen Anode und Kathode passieren lässt aber keine Elektronen.

Die Betriebstemperatur dieses Batterietyps liegt zwischen 270 und 350 °C, damit die Elektroden im flüssigem Zustand (geschmolzen) vorliegen und der Separator eine hohe Leitfähigkeit für Natrium-Ionen erreicht.

elektrochemische Reaktion

Redoxreaktion in einer Natrium-Nickelchlorid-Batterie

Eigenschaften

Die Zellspannung liegt im voll geladenen Zustand bei etwa 2,58 V, die Entladung kann bis 1,5 V erfolgen.

  • gravimetrische Energiedichte: 100 bis 120 Wh/kg (theoretisch 790 Wh/kg)
  • volumetrische Energiedichte: etwa 165 Wh/L
  • Leistung: bis zu einigen MW
  • Kapazitätsspanne: 4 kWh bis zu mehreren MWh
  • energetischer Wirkungsgrad: 85 bis 95 Prozent (inkl. Energie, die für den Betrieb aufgewendet werden muss)
  • Reaktionszeit: einige Millisekunden
  • Investitionskosten (CAPEX): 550 bis 750 Euro/kWh oder 150 bis 1.000 Euro/kW

Vorteile

  • hohe Lebensdauer (mehr als 15 Jahre) und Zyklenfestigkeit (4.500 Zyklen)
  • Überlade- und Tiefentladetoleranz
  • gut verfügbare und kostengünstige Materialien (mit Nickel als teuerstem eingesetzten Rohstoff)
  • gute Tieftemperaturperformance: Selbst bei Außentemperaturen von -40 °C treten keine Kapazitätsverluste auf.

Nachteile

  • Auch wenn die Batterie nicht betrieben wird, muss die hohe Betriebstemperatur aufrecht erhalten werden: Solange die Batterie verwendet wird, führt das zu keinen zusätzlichen energetischen Verlusten, weil der Innenwiderstand hoch ist und sich die Batterie somit selbst erhitzt. Diese Hitze muss sogar teilweise durch ein Kühlsystem abgeführt werden, damit die Batterie nicht überhitzt. Wird die Batterie aber nicht betrieben, kühlt sie aus. Nach etwa vier Stunden muss Wärme über ein Heizsystem zugeführt werden (etwa 90 W), um die Betriebstemperatur zu halten. Dieses Heizsystem kann über die Batterie mit Strom versorgt werden. Wenn die Batterie für eine längere Zeitspanne nicht benötigt wird, kann die Heizung abgestellt werden, was dazu führt, dass die Elektroden fest werden. Der Ladezustand wird erhalten und es entstehen keine Verluste durch Selbstentladung. Die Batterie lässt sich jederzeit wieder auf Betriebstemperatur aufheizen und weiter benutzen. Allerdings benötigt die Batterie etwa 12 bis 15 Stunden, bis sie auf Betriebstemperatur aufgeheizt ist.

Anwendungen

Natrium-Nickelchlorid-Batterien wurden zunächst als Traktionsbatterien für Elektroautomobile auf den Markt gebracht. Heute wird dieser Typ allerdings vorwiegend als stationärer Energiespeicher eingesetzt für folgende Anwendungen:

  • Wohn- und Gewerbegebäude: zeitversetzte Nutzung lokal erzeugter erneuerbarer Energie und damit Maximierung des Eigenstromverbrauchs, unterbrechungsfreie Stromversorung, „Power Boost“ zur Reduzierung von Stromvertragstarifen
  • Versorgungsnetze: Peak Shaving, zeitversetztes Stromangebot aus erneuerbaren Energien, Unterstützung beim Management von Smart Grids
  • Erneuerbare-Energie-Parks: Optimierung der Stromversorgung durch die Ermöglichung einer zeitversetzten Nutzung der erzeugten Energie
  • Übertragungsnetze: Netzfrequenzregulierung, zeitversetztes Zurverfügungstellen von Strom
  • netzgekoppelte und netzferne Micro-Grid-Anwendungen

Literatur

  1. Thackeray, M., S. Afr. J. Chem., 2011, 64, 61-66 ; Online (jüngster Zugriff: 31.05.2018)
  • EASE, Hrsg., Energy Storage Technology Descriptions: Sodium-Nickel-Chloride Battery, EASE – European Associaton for Storage of Energy: Brüssel (2016); Online (jüngster Zugriff: 31.05.2018)
  • Meridian International Research, Hrsg., 2007: Peak Oil – The EV Imperative, Meridian International Research: Martainville, Frankreich (2005); Online (jüngster Zugriff: 31.05.2018)
  • Holze, R.; Behler, A., Roempp – Stichwort Zebra-Batteriesystem, Georg Thieme Verlag KG: Stuttgart (2011); Online (jüngster Zugriff: 31.05.2018)