Zebra-Batterie

Die Abkürzung ZEBRA steht für englisch Zero Emission Battery Research Activities.^[1]

Natrium-Nickelchlorid-Batterie, Museum Autovision, Altlußheim

Natrium-Nickel-Batterie mit metallisch eingeschweißten Zellen in dicker Wärmedämmung

Eine Natrium-Nickelchlorid-Zelle, auch als ZEBRA-Batterie bezeichnet, ist ein wiederaufladbarer Akkumulator, eine sogenannte Sekundärzelle. Sie zählt zu den Thermalbatterien. Statt eines flüssigen Elektrolyten werden ein fester Elektrolyt und eine Kombination aus flüssigen und festen Elektroden verwendet. Eingesetzt wird der Akkumulator in Elektroautos und im Bereich der Rüstungsindustrie.

Geschichte und Hersteller

Entwickelt wurde die Zelle gegen Ende der 1980er Jahre von der südafrikanischen Firma Zebra Power Systems and Beta R&D Ltd, welche dafür 1978 ein erstes Patent erhielt^[2][1]. Die Firma Beta Research and Developement entwickelte die Technologie weiter, bevor sie 1988 von der späteren AEG Anglo Batteries GmbH unter Beteiligung der Daimler AG übernommen wurde. Von der AEG Anglo Batteries GmbH wurden Produktionsverfahren entwickelt und seit 1994 einsatzfähige Traktionsakkus für Elektroautos gebaut, so für die Mercedes-Benz Studie A ebenso wie für die danach auch als Elektroauto serienreif entwickelte A-Klasse^[3]

Nach Einstellung dieses Projektes und der Verschmelzung von Daimler AG und Chrysler-AG wurden Technologie und Patente an MES-DEA in der Schweiz verkauft.^[1] MES-DEA hat dann bis 2009 Zebra-Akkus produziert und auch Kraftfahrzeuge mit Elektromotoren und Zebra-Batterien ausgerüstet, u. a. Twingo, Smart und Panda. Am Standort Stabio in der Schweiz werden die Batterien seit etwa 1998 produziert. Aus MES-DEA und dem italienischen Batteriehersteller FIAMM wurde 2010 zunächst FZ SONICK gegründet und nach der Übernahme von 100 Prozent der Geschäftsanteile durch FIAMM am 1. Juli 2010 in FIAMM SoNick SA umbenannt. Mit der Gründung von FZ SONICK hat MES-DEA dieses Geschäftsfeld aufgegeben und die Fahrzeugumrüstung der Firma Kamoo AG übergeben. Im Jahr 2010 ist die Firma FIAMM SoNick SA in Stabio (Schweiz) neben Rolls Royce in Großbritannien wesentlicher Hersteller von Zebra-Batterien.

Aufbau und Eigenschaften

Schnittdarstellung durch eine Natrium-Nickelchlorid-Zelle

Die Reaktanten sind Natriumchlorid (Kochsalz), mit einer flüssigen Salzlösung aus Nickelchlorid und Natriumchlorid durchtränktes gesintertes Nickel als positive Elektrode, und durch einen Separator getrennt im Außenbereich flüssiges Natrium als negative Elektrode. Die Trennung im Separator wird durch eine nur für Natriumionen durchlässige semipermeable Keramikwand aufrechterhalten, die die Natriumelektrode von der Natriumchlorid/Nickelchlorid/Nickelelektrode trennt und zugleich als Festelektrolyt dient. Wesentlicher Bestandteil der Keramik ist Natrium-β-Aluminat (NaAl₁₁O₁₇), bei dem ab einer Temperatur von 270 °C die Natriumionen so beweglich werden, dass eine ausreichende Leitfähigkeit besteht.^[4] Vorteilhaft ist, dass das reine Natriummetall an der negativen Elektrode flüssig vorliegt, was den Aufbau inaktiver und zerstörerischer Verbindungen (Dendriten) verhindert.

Die Betriebstemperatur der durch Vakuum-Isolation wärmegedämmten Batterie beträgt typisch 300 °C (270 bis 350 °C). Die Batterie weist keine elektrochemische Selbstentladung auf, der Wirkungsgrad liegt bei rund 80 %. Allerdings muss die Zelle zur Aufrechterhaltung der Funktion auf hoher Betriebstemperatur gehalten werden, wodurch trotz thermischer Isolation eine Heizung notwendig ist. Während bei hinreichend hoher Energieentnahme die thermischen Verluste am Innenwiderstand der Zelle für das Halten der Temperatur ausreichen, ist bei Nichtnutzung eine zusätzliche Heizung notwendig, die, wenn sie ihre Leistung von der Zelle bezieht, zu einer stetigen Entladung führt.

Hinsichtlich der Lebensdauer wird über eine Testbatterie berichtet, die seit elf Jahren im Test und über 3000 Zyklen genutzt worden ist (was etwa einem Zyklus pro Arbeitstag ausmacht). Es wurden zwei Typen vorgestellt: Beide mit je 17,8 kWh Energieinhalt, einmal bei 278 V mit 64 Ah und einmal bei 557 V und 32 Ah. Die Blöcke wiegen je 195 kg mit Gehäuse und Batteriemanagement, die spezifische Energie beträgt 94 Wh/kg. Die maximale Leistung beträgt laut Hersteller rund 32 kW.^[5] Batterien, die unter den Schmelzpunkt der Salze abgekühlt waren, können durch Aufheizen reaktiviert werden. Im abgekühlten Zustand kann von einer unbegrenzten Lagerfähigkeit ausgegangen werden, da die chemischen Substanzen dann inaktiv sind. Zur Anzahl der Abkühl-/Aufheizzyklen macht der Hersteller keine offizielle Angabe. Es kann davon ausgegangen werden, dass häufiges Abkühlen und Aufheizen zu mechanischen Belastungen der keramischen Membran führt. Jedoch ist das gelegentliche Abkühlen der Batterie im praktischen Einsatz unproblematisch.

Der Energiegehalt beträgt etwa 100-120 Wh/kg. Im Vergleich dazu hat ein Bleiakkumulator einen Energiegehalt von etwa 30 Wh/kg. Pro kWh Speicherkapazität benötigt eine Zebra-Batterie 1,53 kg Nickel, 1,43 kg Eisen, 0,31 kg Kupfer, 2,24 kg NaCl, und 1,43 kg Aluminiumhydroxid (Böhmit).^[6]

Die Ausgangsstoffe sind im Vergleich zu anderen Akkutechnologien in ausreichenden Mengen preiswert vorhanden. Auch die Herstellung ist relativ unkompliziert. Die derzeit hohen Kosten /kWh erklären sich vor allem aus den geringen produzierten Stückzahlen und könnten bei automatisierter Massenproduktion deutlich gesenkt werden. In der Schweiz wurde eine Untersuchung der gesamten Ökobilanz am Beispiel eines Twingo mit Zebra-Batterie durchgeführt. Dabei bestätigte sich, dass lediglich bei Betrieb mit reinem Kohlestrom oder sehr ungünstigem Nutzungsprofil der Zebra-Batterie (lange Standzeiten) die Umweltbilanz des Elektroautos schlechter als die von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor ausfallen kann.^[7]

Elektrochemie

Die Gesamtreaktion bei der Entladung ist:

$ \mathrm {NiCl} _{2}+2\mathrm {Na} \longrightarrow \mathrm {Ni} +2\mathrm {NaCl} +{\text{elektrische Energie}} $

Bei der Ladung läuft der Vorgang in umgekehrter Richtung ab. Die Zellenspannung im Leerlauf bei geladener Zelle beträgt üblicherweise 2,58 V. Diese Spannung hängt neben den Aufbau der Zelle auch von der Ladegeschwindigkeit ab. Daneben existieren noch weitere Varianten, beispielsweise mit Elektroden aus gesinterten Eisen statt Nickel. Diese Zellen weisen eine Leerlaufspannung von 2,35 V auf.^[1]

Anwendungen

Elektromobilität

Schon die Entwicklung der Zebra-Batterie war eng mit der Elektromobilität, ausgelöst durch die CARB-Gesetzgebung in Kalifornien, verknüpft^[3]. MES-DEA hat dann bis 2009 Zebra-Akkus produziert und auch Kraftfahrzeuge mit Elektromotoren und Zebra-Batterien ausgerüstet, u. a. Renault Twingo, Smart und Panda. Diese wurden in der Schweiz und Italien vertrieben.

Das derzeit bekannteste Auto mit Zebra-Batterie ist der Think City^[2] und der Smart EV in einer limitierten Auflage für London, GB. Auch der weltweit größte Hersteller von Elektrovans und Elektrolastern Smith Electric Vehicles nutzt Zebra-Batterie-Packs, so z. B. für den Smith Newton Range, ein 7,5-Tonner mit einem 120 Kilowatt-Elektromotor. Auch in Hybridbussen in Italien und vollelektrischen Bussen in Kalifornien wurden ZEBRA-Batterien ausgerüstet^[2]. Zebra-Batterien sind in verschiedenen Elektrofahrzeugen auch in Deutschland im Einsatz, u. a. in einem Daimler-Bus MB410E des BIMAQ, Bremen und in einem von der Firma Krebs und Aulich auf Elektroantrieb umgerüsteten Audi A2. In Frankreich wurde 2011/2012 die Post mit Elektrofahrzeugen vom Typ Peugeot Partner und Citroen Berlingo ausgerüstet, die mit Zebra-Akkumulatoren ausgestattet sind. Die Ausrüstung erfolgte bei Venturi^[8]

Waffensysteme

Wegen ihrer hohen Energiedichte und Zuverlässigkeit werden ZEBRA-Batterien auch in Waffensystemen wie U-Booten und Raketen eingesetzt. Europäische Hersteller sind z. B. Rolls-Royce. Rolls-Royce bietet ZEBRA-Batterien von 24 V bis 1000 V und mit einer Kapazität von 2 kWh bis 50 kWh an.

Einzelnachweise

Literatur

•  R. A. Guidotti, P. Masset: Thermally activated ("thermal") battery technology Part I: An overview. Journal of Power Sources, Ausgabe 161, 2006, S. 1443 bis 1449.
•  Jeffrey W. Braithwaite, William L. Auxer, David Linden (Hrsg.): Handbook of Batteries, Chapter 40, Sodium-Beta Batteries. 2. Auflage. McGraw-Hill, 2002, ISBN 978-0071359788.

Weblinks

deutschsprachige Links

• Homepage des Herstellers
• Varta-Batterielexikon: Die Entwicklung der Batterie
• Elektroversionen des Fiat Panda und Renault Twingo mit Zebras
• Fahrbericht Renault Twingo elettrica mit Zebra-Batterie
• Smart bekommt Elektromotor – Eine Elektroversion des Smart Fortwo feiert nun in Großbritannien Premiere. 13. Juli 2006. Damit soll 2007 ein Großversuch mit 100 Wagen in London starten
• Elektromobilität im Tessin, PDf Artikel zu MES-DEA /FZ Sonick und Elektromobilität

englischsprachige Links

• The Rolls-Royce ZEBRA concept

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