Herausforderungen bei der Entwicklung von Natrium-Zink-Batterien

Natrium (Na) und Zink (Zn) Batterien sind eine mögliche Lösung, um Energie mit gängigen Materialien zu speichern. Diese Batterien nutzen geschmolzenes Salz als Elektrolyt und funktionieren bei sehr hohen Temperaturen, so etwa 600 Grad Celsius. Diese hohe Temperatur ist nötig, damit die Komponenten flüssig bleiben und die Batterie richtig funktioniert. Auch wenn die Verwendung dieser Materialien die Produktion der Batterie günstiger macht, gibt's einige Herausforderungen.

Eine Herausforderung ist, dass die Batterie während des Betriebs selbstständig an Ladung verlieren kann. Dieser Selbstentladung passiert, weil Zink-Ionen zu leicht zur Natrium-Elektrode wandern können. Um das zu verringern, setzen Batteriedesigner eine spezielle Barriere ein, die als keramisches Diaphragma bezeichnet wird. Dieses Diaphragma schafft zwei Bereiche in der Batterie, um die Zink-Ionen dort zu halten, wo sie hingehören.

#Das Problem mit Gasblasen

Die Neutronenbildgebung wurde genutzt, um Bilder dieser Batterien während des Betriebs zu machen. Diese Bilder haben gezeigt, dass sich grosse Gasblasen unter den keramischen Diaphragmen bilden können. Diese Blasen entstehen während des Herstellungsprozesses der Batterie. Wenn das geschmolzene Salz abkühlt und erstarrt, verringert sich sein Volumen, und Gas kann eingeschlossen werden, wodurch Blasen entstehen.

Das Vorhandensein dieser Blasen ist ein Problem, denn sie beeinträchtigen die Leistung der Batterie. Sie erhöhen den Widerstand in der Batterie, was mehr Spannung zum Laden erfordert. Wenn die Batterien mit zu viel Spannung geladen werden, kann das schädlich sein und Gase bilden, die den normalen Betrieb stören können.

#Der Energiewandel und Batteriekosten

Der Umstieg von fossilen Brennstoffen und die stärkere Nutzung erneuerbarer Energiequellen erfordert effizientere und kostengünstigere Energiespeicheroptionen. Natrium-Zink-Batterien sind attraktiv, weil sie potenziell die Batteriekosten senken können, da die Materialien einfach zu finden sind und sie eine hohe Spannung haben.

Diese Batterien eignen sich besonders gut für grossflächige Energiespeicherung, wie sie für Stromnetze nötig ist, weniger für kleine persönliche Geräte. Sie haben auch Umweltvorteile, wie geringere Toxizität und eine niedrige Wahrscheinlichkeit gefährlicher thermischer Ereignisse. Allerdings ist diese Technologie noch in der Entwicklung, und aktuelle Forschungen zielen darauf ab, ihr Design zu verbessern, insbesondere um Probleme wie die Gasblasen anzugehen.

#Grundlagen des Zellendesigns

Die Natrium-Zink-Batterie besteht aus drei Schichten: einer Natrium-Elektrode oben, einem Salz-Elektrolyt in der Mitte und einer Zink-Elektrode unten. Der Entladeprozess beinhaltet Natrium, das oxidiert, und Zink, das reduziert. Diese chemische Reaktion liefert der Batterie die nötige Spannung. Die Effizienz der Batterie hängt davon ab, direkten Kontakt zwischen Natrium- und Zink-Ionen zu vermeiden, da dies zu Selbstentladung führt.

Das keramische Diaphragma spielt eine wichtige Rolle, indem es nur eine gewisse Bewegung von Ionen zulässt und unerwünschte Reaktionen zwischen Natrium und Zink verhindert. Die Effektivität des Diaphragmas ist jedoch noch ein Bereich, der weiter untersucht werden muss.

#Die Rolle der Neutronenbildgebung

Neutronenbildgebung ist eine nützliche Technik, die es Forschern ermöglicht, die Strukturen innerhalb der Batterie zu sehen, ohne sie öffnen zu müssen. Mit dieser Methode können Forscher die Blasen erkennen, identifizieren, wo sie sich befinden, und besser verstehen, wie sie die Funktionsweise der Batterie beeinflussen.

Bilder, die während des Batteriezyklus aufgenommen wurden, zeigen dunkle Bereiche, die den Elektrolyt repräsentieren, während die Gasblasen als hellere Flecken erscheinen. Die Blasen können gross genug sein, um die gesamte Unterseite des Diaphragmas zu bedecken, was sich erheblich auf das Laden und Entladen der Batterie auswirken kann.

#Der Ursprung der Gasblasen

Zeitrafferbilder zeigen, dass diese Gasblasen wahrscheinlich nicht während des normalen Betriebs entstehen, sondern während der Produktion. Wenn das geschmolzene Salz in die Batterie gegossen wird, wird das Diaphragma unter das Salz gedrückt. Diese Aktion entfernt zunächst eingeschlossene Blasen, verhindert aber nicht, dass neue entstehen, während das Salz abkühlt und erstarrt.

Forschungen zeigen, dass die grosse Volumenänderung des Salzes während des Abkühlens Bedingungen schafft, unter denen Gas Blasen bilden kann. Diese Blasen werden eingeschlossen und können nicht entweichen, was die Leistung der Batterie beeinträchtigt.

#Strategien zur Minderung von Blasen

Um das Blasenproblem zu lösen, können Ingenieure entweder das Design der Batterie ändern oder den Herstellungsprozess verfeinern, um die Bildung von Blasen von vornherein zu verhindern. Eine mögliche Methode wäre, die Kühlung der Zellen anzupassen, sodass das Salz von unten nach oben gefriert. Dieser Ansatz könnte Hohlräume während des Abkühlens mit geschmolzenem Salz füllen und die Wahrscheinlichkeit der Blasenbildung verringern.

Wenn die Änderung des Kühlprozesses nicht funktioniert, gibt es auch andere Optionen, wie beispielsweise ein Diaphragma zu schaffen, das Gas entweichen lässt. Auch die Chemie des Elektrolyten kann angepasst werden. Zum Beispiel könnte man Calciumchlorid durch ein anderes Salz ersetzen, das die Volumenänderung während des Gefrierens verringert.

Allerdings kann es schwierig sein, ein neues Salz zu finden, das alle notwendigen Kriterien erfüllt. Es muss einen niedrigen Schmelzpunkt haben und darf nicht auf Weisen reagieren, die den Betrieb der Batterie beeinträchtigen könnten.

#Auswirkungen auf das Diaphragma-Design

Wenn grössere Poren oder Löcher im Diaphragma geschaffen werden, um Blasen entweichen zu lassen, könnte das zu Problemen mit der Selbstentladung führen. Der Ausgleich zwischen der Erlaubnis für Blasen, zu entweichen, und der Verhinderung unerwünschter Ionbewegungen ist entscheidend.

Forschungen haben gezeigt, dass die aktuelle Grösse der Poren im Diaphragma eine schnelle Selbstentladung ermöglichen könnte. Eine Designänderung könnte darin bestehen, schmale Kanäle speziell für das Entweichen von Gas einzufügen. Dies könnte geschehen, ohne dass Salz und Zink unangemessen vermischt werden.

Eine andere Möglichkeit könnte darin bestehen, eine Paste für den Elektrolyten anstelle von festen Materialien zu verwenden. Diese Paste könnte es Blasen ermöglichen, sich zu bewegen, ohne dass das Zink hindurchpasst, was eine weitere Option zur Verbesserung bieten könnte.

#Fazit

Die Untersuchung von Natrium-Zink-Batterien und den Herausforderungen, mit denen sie konfrontiert sind, ist noch im Gange. Neutronenbildgebung hat sich als wertvolles Werkzeug erwiesen, um zu verstehen, wie diese Batterien funktionieren und Probleme wie die Bildung von Gasblasen zu identifizieren.

Zukünftige Arbeiten sind notwendig, um das Blasenproblem effektiv anzugehen. Durch die Verfeinerung der Herstellungstechniken und die Veränderung des Diaphragma-Designs könnte es möglich sein, effizientere und zuverlässigere Natrium-Zink-Batterien zu schaffen. Diese Forschung ist entscheidend für die Entwicklung besserer Energiespeicherlösungen, die einen Übergang von fossilen Brennstoffen zu nachhaltigeren Energiequellen unterstützen.