Aufgabe 1 – Die Natrium-Nickelchlorid-Batterie

Batteriespeichersysteme spielen für die Energiewende eine wichtige Rolle, da sie Energie, die zum Beispiel aus Solar- oder Windkraftanlagen stammt, speichern und bei Bedarf wieder abgeben können. Die Natrium-Nickelchlorid-Batterie ist eine sogenannte Hochtemperaturbatterie, die als wiederaufladbares Batteriespeichersystem verwendet wird.

1.1

Stelle die Teilgleichungen sowie die Gesamtgleichung für die beim Entladevorgang an den Elektroden ablaufenden Reaktionen auf (M1).

Beschreibe die ablaufenden Vorgänge in einer Natrium-Nickelchlorid-Batterie beim Entladevorgang auf Teilchenebene (M1).

14 BE

1.2

Begründe, ob die Bezeichnung „Batterie“ für die Natrium-Nickelchlorid-Batterie aus fachlicher Sicht korrekt ist (M1).

Bestätige die theoretische Kapazität der angegebenen Natrium-Nickelchlorid-Batterie durch Berechnung (M2).

9 BE

1.3

Formuliere die Reaktionsgleichung für die bei Beschädigung der Batterie ablaufende Reaktion (M3). Gib für diese Reaktion relevante Oxidationszahlen an und überprüfe, ob es sich bei der Reaktion um eine Redoxreaktion handelt (M3).

9 BE

1.4

Beurteile Vor- und Nachteile von Natrium-basierten Energiespeichersystemen wie der Natrium-Nickelchlorid-Batterie als Alternative zu Lithium-basierten Energiespeichersystemen anhand von drei Aspekten (M1, M3, M4).

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M1: Aufbau und Funktionsweise der Natrium-Nickelchlorid-Batterie

Die Natrium-Nickelchlorid-Batterie hat eine Betriebstemperatur von $Formula: 300\ ^{\circ}\text{C}.$ $Formula: 300\ ^{\circ}\text{C}.$ Eine Halbzelle besteht aus flüssigem Natrium. Die andere Halbzelle besteht aus festem Nickel(II)-chlorid in einer Elektrolytschmelze. Ein spezieller Separator verhindert den direkten Kontakt des flüssigen Natriums mit dem Nickel(II)-chlorid, ist aber durchlässig für Natrium-Ionen.

Vereinfacht dargestellt werden beim Entladen Natrium und Nickel(II)-chlorid zu Natriumchlorid und Nickel umgesetzt. Wenn Energie gespeichert werden soll, werden diese Reaktionen entsprechend umgekehrt.

Schema einer Natrium-Nickelchlorid-Batterie mit Pluspol, Minuspol, Separator und Elektrolytschmelze.

Vereinfachte schematische Darstellung einer Natrium-Nickelchlorid-Batterie

verändert nach: P. Kurzweil, O. Dietlmeier, Elektrochemische Speicher, 2. Auflage, Springer Vieweg, Wiesbaden, 2018, S. 290–294.

M2: Die theoretische Kapazität einer Natrium-Nickelchlorid-Batterie

Die Kapazität einer Batterie gibt an, wie viel elektrische Ladung Formula: Q sie speichern und abgeben kann. Sie wird in der Regel in der Einheit Amperestunden $Formula: (\text{Ah})$ $Formula: (\text{Ah})$ angegeben und kann unter Anwendung der Faraday-Gesetze berechnet werden.

Die theoretische Kapazität einer Natrium-Nickelchlorid-Batterie bei Verwendung von $Formula: 26\ \text{g}$ $Formula: 26\ \text{g}$ Natrium als Anodenmaterial beträgt etwa $Formula: 30{,}3\ \text{Ah}.$ $Formula: 30{,}3\ \text{Ah}.$

Es gilt:

$Formula: Q=I\cdot t$ $Formula: Q=I\cdot t$

Die elektrische Ladung Formula: Q besitzt die Einheit Coulomb $Formula: \mathrm{C}$ $Formula: \mathrm{C}$ $Formula: (1\ \text{C}=1\ \text{As}).$ $Formula: (1\ \text{C}=1\ \text{As}).$

verändert nach: P. Kurzweil, O. Dietlmeier, Elektrochemische Speicher, 2. Auflage, Springer Vieweg, Wiesbaden, 2018, S. 293.

M3: Sicherheit der Natrium-Nickelchlorid-Batterie

Bei dem in der Natrium-Nickelchlorid-Batterie verwendeten Elektrolyten handelt es sich vereinfacht gesehen um geschmolzenes Natriumtetrachloroaluminat $Formula: (\ce{Na[AlCl4]}),$ $Formula: (\ce{Na[AlCl4]}),$ was nach IUPAC-Nomenklatur korrekt als Natriumtetrachloridoaluminat(III) bezeichnet wird. Kommt es bei Beschädigung der Batterie im Inneren zu Brüchen oder Rissen, reagiert das Natriumtetrachloroaluminat mit dem Natrium zu Natriumchlorid und Aluminium. Es entsteht ein Kurzschluss und die Zelle arbeitet nicht mehr, sodass durch die defekte Batterie oder austretende Stoffe keine unmittelbare Gefahr ausgeht.

verändert nach: P. Kurzweil, O. Dietlmeier, Elektrochemische Speicher, 2. Auflage, Springer Vieweg, Wiesbaden, 2018, S. 291.

M4: Energiespeichersysteme im Vergleich

Zur Speicherung von Strom, z. B. aus Photovoltaik-Anlagen, werden häufig Lithium-Ionen-Speicher eingesetzt. Sie sind kompakt und leicht. Außerdem haben sie eine lange Lebensdauer, die etwa Formula: 5000 Ladezyklen umfasst. Der Lithium-Ionen-Speicher muss regelmäßig inspiziert und gewartet werden, um der Gefahr eines dauerhaften Kapazitätsverlusts durch Tiefenentladung entgegenzuwirken. Der Aufstellungsort des Lithium-Ionen-Speichers erfordert Brandschutz- und Warnvorrichtungen, da die Bestandteile im Falle einer Beschädigung oder eines Defekts brandbeschleunigend wirken und bedenkliche Stoffe in die Umwelt austreten können. Lithiumverbindungen werden überwiegend aus Lithium-haltigem Gestein in Minen oder aus Salzseen in großen Verdunstungsbecken gewonnen.

Bei der Gewinnung aus Lithium-haltigem Gestein werden oft giftige Chemikalien eingesetzt und bei der Gewinnung aus Salzseen sind große Mengen Trinkwasser erforderlich. Die Weiterverarbeitung von Lithiumverbindungen ist energieintensiv. Die derzeit erschlossenen Vorkommen können den steigenden Bedarf kaum decken.

Natrium-basierte Energiespeichersysteme wie die Natrium-Nickelchlorid-Batterie wurden erstmals in den 1970er Jahren erforscht und werden derzeit wieder als vielversprechende und sichere Alternative zu Lithium-basierten Energiespeichersystemen weiterentwickelt. Natriumverbindungen sind in großen Mengen verfügbar. Die Gewinnung von Natrium erfolgt durch Schmelzflusselektrolyse von Natriumchlorid in einer sogenannten Downs-Zelle, wobei Natrium und das für die chemische Industrie wichtige weitere Produkt Chlor entstehen. Die Schmelzflusselektrolyse erfordert viel Energie, allerdings entstehen keine bedenklichen oder unerwünschten Nebenprodukte. Natrium-Nickelchlorid-Batterien wiegen bis zu $Formula: 290\ \text{kg},$ $Formula: 290\ \text{kg},$ was mit einem entsprechend großen Platzbedarf einhergeht. Eine solche Batterie schafft etwa Formula: 5000 Ladezyklen. Die Außentemperatur hat keinen Einfluss auf die Kapazität der Batterie, bei der generell keine Tiefenentladung stattfindet, weshalb sie auch keinerlei Inspektion benötigt.

verändert nach: https://www.energieheld.ch/solaranlagen/stromspeicher/salzspeicher; https://www.hochschule-bochum.de/labor-nachhaltigkeit-technik/aktuelles/oekobilanz-von-natrium-nickel-chlorid-batterien/; letzter Zugriff: 30.06.2025

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1.1

Aufstellen der Teil- und Gesamtgleichungen

$Formula: \begin{array}{lll} \ce{2Na \longrightarrow 2Na+ + 2e-}&\;\text{Minuspol} \\[5pt] \ce{Ni^2+ + 2e- \longrightarrow Ni}&\;\text{Pluspol} \\[5pt] \overline{\ce{2Na + Ni^2+ \longrightarrow 2Na+ + Ni}}&\;\text{Gesamtgleichung} \end{array}$ $Formula: \begin{array}{lll} \ce{2Na \longrightarrow 2Na+ + 2e-}&\;\text{Minuspol} \\[5pt] \ce{Ni^2+ + 2e- \longrightarrow Ni}&\;\text{Pluspol} \\[5pt] \overline{\ce{2Na + Ni^2+ \longrightarrow 2Na+ + Ni}}&\;\text{Gesamtgleichung} \end{array}$

Beschreibung der Vorgänge auf Teilchenebene

Minuspol: Oxidation von Natrium-Atomen zu Natrium-Ionen unter Elektronenabgabe
Pluspol: Reduktion von Nickel(II)-Ionen zu Nickel-Atomen unter Elektronenaufnahme
Elektronenfluss vom Minuspol zum Pluspol
Ladungsausgleich durch Wanderung der Natrium-Ionen durch den Separator in die Akzeptorhalbzelle
Bildung von Natriumchlorid aus Natrium-Ionen und Chlorid-Ionen

1.2

Beurteilung der Bezeichnung „Batterie“ aus fachlicher Sicht

Die Reaktion des Entladevorgangs ist durch Anlegen einer Spannung umkehrbar. Da Batterien nicht wiederaufladbar sind, ist die Bezeichnung „Batterie“ für die Natrium-Nickelchlorid-Batterie aus fachlicher Sicht falsch. Die fachlich korrekte Bezeichnung für ein wiederaufladbares Energiespeichersystem ist „Akkumulator“.

Bestätigung der theoretischen Kapazität

Für die Reaktionsgleichung an der Anode gilt:

$Formula: \ce{Na \longrightarrow Na+ + e-}\qquad z=1$ $Formula: \ce{Na \longrightarrow Na+ + e-}\qquad z=1$

Die Stoffmenge an umgesetztem Natrium ergibt sich aus $Formula: n(\text{Na})=\tfrac{m(\text{Na})}{M(\text{Na})}.$ $Formula: n(\text{Na})=\tfrac{m(\text{Na})}{M(\text{Na})}.$

Einsetzen in die Faraday-Gleichung zusammen mit $Formula: Q=I\cdot t$ $Formula: Q=I\cdot t$ liefert:

$Formula: \begin{array}{rlll} n&=&\dfrac{I\cdot t}{z\cdot F} &\quad\scriptsize\mid\;\cdot z\cdot F \\[5pt] Q&=&n\cdot z\cdot F \\[5pt] Q&=&\dfrac{m(\text{Na})}{M(\text{Na})}\cdot z\cdot F \\[5pt] Q&=&\dfrac{26\;\text{g}}{23\;\frac{\text{g}}{\text{mol}}}\cdot1\cdot96485{,}33\;\dfrac{\text{As}}{\text{mol}} \\[5pt] Q&\approx&109070{,}4\;\text{As} \end{array}$ $Formula: \begin{array}{rlll} n&=&\dfrac{I\cdot t}{z\cdot F} &\quad\scriptsize\mid\;\cdot z\cdot F \\[5pt] Q&=&n\cdot z\cdot F \\[5pt] Q&=&\dfrac{m(\text{Na})}{M(\text{Na})}\cdot z\cdot F \\[5pt] Q&=&\dfrac{26\;\text{g}}{23\;\frac{\text{g}}{\text{mol}}}\cdot1\cdot96485{,}33\;\dfrac{\text{As}}{\text{mol}} \\[5pt] Q&\approx&109070{,}4\;\text{As} \end{array}$

Die Umrechnung von $Formula: \text{As}$ $Formula: \text{As}$ zu $Formula: \text{Ah}$ $Formula: \text{Ah}$ ergibt:

$Formula: \begin{array}{rlll} Q&=&109070{,}4\;\text{A}\cdot\dfrac{1}{3600}\;\text{h} \\[5pt] &\approx&30{,}3\;\text{Ah} \end{array}$ $Formula: \begin{array}{rlll} Q&=&109070{,}4\;\text{A}\cdot\dfrac{1}{3600}\;\text{h} \\[5pt] &\approx&30{,}3\;\text{Ah} \end{array}$

1.3

Formulieren der Reaktionsgleichung und Angabe der Oxidationszahlen

$Formula: \overset{\color{#0096C8}{+\text{I}}}{\ce{Na}}\overset{\color{#0096C8}{+\text{III}\quad\;}}{\ce{[AlCl4]}}+3\,\overset{\color{#0096C8}{0}}{\ce{Na}} \longrightarrow 4\,\overset{\color{#0096C8}{+\text{I}\quad}}{\ce{NaCl}} + \overset{\color{#0096C8}{0}}{\ce{Al}}$ $Formula: \overset{\color{#0096C8}{+\text{I}}}{\ce{Na}}\overset{\color{#0096C8}{+\text{III}\quad\;}}{\ce{[AlCl4]}}+3\,\overset{\color{#0096C8}{0}}{\ce{Na}} \longrightarrow 4\,\overset{\color{#0096C8}{+\text{I}\quad}}{\ce{NaCl}} + \overset{\color{#0096C8}{0}}{\ce{Al}}$

Überprüfung der Redoxreaktion

Da sich die Oxidationszahlen der beteiligten Atome ändern, findet eine Elektronenübertragung statt. Somit liegt eine Redoxreaktion vor.

10 BE

1.4

Mögliche Aspekte:

Rohstoffverfügbarkeit:

Große Verfügbarkeit von Natriumverbindungen
Den Bedarf nicht deckende Vorkommen an Lithiumverbindungen

Ökologische Aspekte:

Natrium-Nickelchlorid-Batterie: hoher Energiebedarf bei Gewinnung von Natrium durch Schmelzflusselektrolyse, aber keine Entstehung von bedenklichen oder nicht erwünschten Nebenprodukten; kein Austritt bedenklicher Stoffe bei Beschädigung oder Brand
Lithium-basierte Energiespeicher: hoher Trinkwasserbedarf, Einsatz giftiger Chemikalien bei Gewinnung und hoher Energiebedarf bei der Weiterverarbeitung von Lithiumverbindungen; möglicher Austritt bedenklicher Stoffe bei Beschädigung oder Brand

Betrieb:

Natrium-Nickelchlorid-Batterie: großer Platzbedarf, hohe Masse und mit $Formula: 300\ ^\circ\text{C}$ $Formula: 300\ ^\circ\text{C}$ hohe Betriebstemperatur, aber kein Wartungsaufwand und keine notwendigen Sicherheitsvorkehrungen für einen Brandfall
Lithium-basierte Energiespeicher: geringer Platzbedarf, geringe Masse und normale Betriebstemperatur sowie erforderliche regelmäßige Wartung und Sicherheitsvorkehrungen für den Brandfall

Fazit:

Insgesamt sind Natrium-Nickelchlorid-Batterien vor allem für stationäre Energiespeicher eine sinnvolle Alternative zu Lithium-basierten Systemen, da Natrium gut verfügbar ist und sie sicher sowie wartungsarm sind. Der hohe Energiebedarf, die hohe Betriebstemperatur sowie die große Masse und der Platzbedarf schränken ihre Eignung jedoch ein.

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