Die Energiewende im Verkehrssektor steht vor einer monumentalen Herausforderung, insbesondere wenn es um die Elektrifizierung von Schwerlastfahrzeugen wie Flugzeugen, Zügen und Schiffen geht. Bestehende Batterietechnologien stoßen hinsichtlich der Energiemenge, die sie pro Masseneinheit speichern können, an ihre physikalischen Grenzen, was ein erhebliches Innovationshemmnis darstellt. Ein wissenschaftliches Team des prestigeträchtigen Massachusetts Institute of Technology (MIT), wo Sie auch eine Unterkunft finden können, und kooperierender Institutionen hat jedoch kürzlich ein Konzept vorgestellt, das dieses Paradigma grundlegend verändern und den Weg für die Elektrifizierung dieser wichtigen Verkehrssysteme ebnen könnte.

Revolutionärer Ansatz zur Energieversorgung: Flüssigsalz-Brennstoffzelle

Anstelle einer herkömmlichen Batterie basiert die neue Lösung auf dem Prinzip einer Brennstoffzelle – einer Vorrichtung, die ähnlich einer Batterie elektrische Energie durch eine chemische Reaktion erzeugt, jedoch mit einem entscheidenden Unterschied: Sie kann schnell mit Brennstoff betankt werden, anstatt langwierig aufgeladen zu werden. Den Kern dieses innovativen Systems bildet flüssiges metallisches Natrium, ein kostengünstiger und weithin verfügbarer Rohstoff. Auf der anderen Seite der Zelle befindet sich gewöhnliche Luft, die als Quelle für Sauerstoffatome dient. Dazwischen befindet sich eine Schicht aus festem Keramikmaterial, das als Elektrolyt fungiert und den freien Durchgang von Natriumionen ermöglicht, während eine poröse, der Luft zugewandte Elektrode die chemische Reaktion von Natrium mit Sauerstoff erleichtert und so elektrischen Strom erzeugt.

In einer Reihe von Experimenten, die mit einem Prototypgerät durchgeführt wurden, zeigten die Forscher, dass diese Zelle mehr als die dreifache Energiemenge pro Gewichtseinheit speichern kann im Vergleich zu den Lithium-Ionen-Batterien, die heute die Welt der Elektrofahrzeuge dominieren. Detaillierte Ergebnisse dieser Forschung wurden kürzlich in der wissenschaftlichen Zeitschrift Joule veröffentlicht, in einer Arbeit von den MIT-Doktoranden Karen Sugano, Sunil Mair und Saahir Ganti-Agrawal, dem Professor für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik Yet-Ming Chiang und fünf weiteren Mitarbeitern.

Professor Chiang, der den Titel Kyocera Professor of Ceramics trägt, kommentierte die mögliche Wahrnehmung ihrer Arbeit: „Wir erwarten, dass die Leute denken werden, das sei eine völlig verrückte Idee. Wäre es nicht so, wäre ich ein wenig enttäuscht, denn wenn die Leute anfangs nicht denken, dass etwas völlig verrückt ist, wird es wahrscheinlich nicht so revolutionär sein.“ Genau dieses revolutionäre Potenzial macht diese Technologie äußerst vielversprechend.

Neue Hoffnung für die elektrische Luftfahrt

Insbesondere in der Luftfahrt, wo das Gewicht ein kritischer Faktor ist, könnte eine solche Verbesserung der Energiedichte einen Wendepunkt darstellen, der endlich die praktische Anwendung des Elektroantriebs in erheblichem Umfang ermöglicht. „Die Schwelle, die für eine realistische elektrische Luftfahrt wirklich benötigt wird, liegt bei etwa 1.000 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg)“, erklärt Chiang. Heutige Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge erreichen maximal etwa 300 Wh/kg, was bei weitem nicht ausreicht. Selbst mit 1.000 Wh/kg, merkt er an, wäre das nicht genug für transkontinentale oder transatlantische Flüge.

Obwohl dieses Ziel noch außerhalb der Reichweite jeder bekannten Batteriechemie liegt, betont Chiang, dass das Erreichen von 1.000 Wh/kg eine Technologie darstellen würde, die die regionale elektrische Luftfahrt ermöglicht. Solche Flüge machen etwa 80 Prozent der Inlandsflüge aus und sind für etwa 30 Prozent der Emissionen der Luftfahrt verantwortlich. Die Elektrifizierung dieses Segments hätte daher erhebliche positive Auswirkungen auf die Umwelt.

Die Technologie könnte auch in anderen Sektoren, einschließlich des See- und Schienenverkehrs, ein Fortschrittsmotor sein. „Sie alle erfordern eine sehr hohe Energiedichte und niedrige Kosten“, sagt Chiang. „Und genau das hat uns zu metallischem Natrium hingezogen.“

Von der Batterie zur Brennstoffzelle: Überwindung von Grenzen

In den letzten drei Jahrzehnten wurden viele Forschungsanstrengungen in die Entwicklung von Lithium-Luft- oder Natrium-Luft-Batterien investiert, es erwies sich jedoch als schwierig, sie vollständig wiederaufladbar zu machen. „Die Menschen sind sich seit langem der Energiedichte bewusst, die sie mit Metall-Luft-Batterien erreichen könnten, und das war äußerst attraktiv, wurde aber in der Praxis einfach nie realisiert“, stellt Chiang fest.

Indem sie dasselbe grundlegende elektrochemische Konzept verwendeten, es aber anstelle einer Batterie in eine Brennstoffzelle umwandelten, gelang es den Forschern, die Vorteile der hohen Energiedichte in einer praktischen Form zu nutzen. Im Gegensatz zu einer Batterie, deren Materialien einmal zusammengebaut und in einem Gehäuse versiegelt werden, treten bei einer Brennstoffzelle die energietragenden Materialien in das System ein und aus. Dieser dynamische Ansatz ermöglicht ein schnelles „Nachtanken“ und eliminiert die langen Ladezeiten, die mit Batterien verbunden sind.

Das Team stellte zwei verschiedene Versionen eines Laborprototyps des Systems her. In einer, H-Zelle genannt, sind zwei vertikale Glasröhren durch eine Querröhre verbunden, die einen festen Keramikelektrolyten und eine poröse Luftelektrode enthält. Flüssiges metallisches Natrium füllt die Röhre auf einer Seite, während Luft durch die andere strömt und Sauerstoff für die elektrochemische Reaktion in der Mitte liefert, die den Natrium-Brennstoff allmählich verbraucht. Der zweite Prototyp verwendet ein horizontales Design mit einem Tiegel aus Elektrolytmaterial, der den flüssigen Natrium-Brennstoff enthält. Eine poröse Luftelektrode, die die Reaktion erleichtert, ist am Boden des Tiegels befestigt.

Tests, die unter Verwendung eines Luftstroms mit sorgfältig kontrollierter Luftfeuchtigkeit durchgeführt wurden, zeigten ein Niveau von über 1.500 Wattstunden pro Kilogramm auf der Ebene eines einzelnen Zellen-„Stapels“, was sich laut Chiang auf mehr als 1.000 Wh/kg auf der Ebene des Gesamtsystems übertragen würde.

Umweltvorteile und Kohlenstoffdioxidabscheidung

Die Forscher stellen sich vor, dass für den Einsatz in Flugzeugen Brennstoffpakete, die Zellstapel enthalten, in die Brennstoffzellen eingesetzt würden, ähnlich wie Tabletts mit Essen in einer Cafeteria. Das metallische Natrium in diesen Paketen wandelt sich chemisch um, während es Energie liefert. Das Nebenprodukt dieser chemischen Reaktion wird nach außen abgegeben und würde im Falle eines Flugzeugs ähnlich den Abgasen eines Düsentriebwerks am Heck ausgestoßen.

Aber es gibt einen sehr großen Unterschied: Es gäbe keine Kohlenstoffdioxidemissionen. Stattdessen würden die Emissionen, die aus Natriumoxid bestehen, tatsächlich Kohlenstoffdioxid aus der Atmosphäre absorbieren. Diese Verbindung würde sich schnell mit der Luftfeuchtigkeit verbinden und Natriumhydroxid bilden – ein Material, das üblicherweise als Abflussreiniger verwendet wird – das leicht mit Kohlenstoffdioxid reagiert und ein festes Material, Natriumcarbonat, bildet, das wiederum Natriumbicarbonat, besser bekannt als Natron, erzeugt.

„Es gibt diese natürliche Reaktionskaskade, die auftritt, wenn man mit metallischem Natrium beginnt“, erklärt Chiang. „Alles geschieht spontan. Wir müssen nichts tun, damit es passiert, wir müssen nur das Flugzeug fliegen.“ Als zusätzlicher Vorteil könnte das Endprodukt, Natriumbicarbonat, wenn es im Ozean landet, dazu beitragen, das Wasser zu entsäuern und so einer weiteren schädlichen Auswirkung von Treibhausgasen entgegenzuwirken.

Die Verwendung von Natriumhydroxid zur Abscheidung von Kohlenstoffdioxid wurde als Mittel zur Minderung von Kohlenstoffemissionen vorgeschlagen, ist aber für sich genommen keine wirtschaftliche Lösung, da die Verbindung zu teuer ist. „Aber hier ist es ein Nebenprodukt“, stellt Chiang klar, daher ist es im Wesentlichen kostenlos und bringt Umweltvorteile ohne zusätzliche Kosten.

Systemsicherheit und Skalierbarkeit

Es ist wichtig anzumerken, dass die neue Brennstoffzelle von Natur aus sicherer ist als viele andere Batterien, sagt Chiang. Metallisches Natrium ist extrem reaktiv und muss gut geschützt werden. Wie bei Lithiumbatterien kann sich Natrium bei Kontakt mit Feuchtigkeit spontan entzünden. „Wann immer Sie eine Batterie mit sehr hoher Energiedichte haben, ist Sicherheit immer ein Anliegen, denn wenn die Membran, die die beiden Reaktanten trennt, reißt, kann es zu einer unkontrollierten Reaktion kommen“, sagt Chiang. Aber in dieser Brennstoffzelle ist eine Seite nur Luft, „die verdünnt und begrenzt ist. Sie haben also nicht zwei konzentrierte Reaktanten direkt nebeneinander. Wenn Sie eine wirklich, wirklich hohe Energiedichte anstreben, sollten Sie aus Sicherheitsgründen eher eine Brennstoffzelle als eine Batterie haben.“

Obwohl das Gerät vorerst nur als kleiner Ein-Zellen-Prototyp existiert, sagt Chiang, dass das System ziemlich einfach auf praktische Größen für die Kommerzialisierung skaliert werden sollte. Mitglieder des Forschungsteams haben bereits ein Unternehmen, Propel Aero, gegründet, um die Technologie zu entwickeln. Das Unternehmen befindet sich derzeit im Startup-Inkubator des MIT, The Engine, in Cambridge, einem beliebten Ziel für Besucher.

Die Produktion von ausreichend metallischem Natrium, um eine weit verbreitete, vollständige globale Implementierung dieser Technologie zu ermöglichen, sollte praktisch sein, da das Material bereits früher in großem Maßstab hergestellt wurde. Als bleihaltiges Benzin noch die Norm war, bevor es schrittweise abgeschafft wurde, wurde metallisches Natrium zur Herstellung von Tetraethylblei verwendet, das als Additiv eingesetzt wurde, und in den USA mit einer Kapazität von 200.000 Tonnen pro Jahr produziert. „Das erinnert uns daran, dass metallisches Natrium einst in großem Maßstab hergestellt und sicher gehandhabt und in den gesamten USA verteilt wurde“, sagt Chiang.

Darüber hinaus stammt Natrium hauptsächlich aus Natriumchlorid, also Salz, und ist daher reichlich vorhanden, weltweit verbreitet und leicht zu gewinnen, im Gegensatz zu Lithium und anderen Materialien, die in heutigen Batterien für Elektrofahrzeuge verwendet werden. Das Wissenschaftlerteam, dessen Arbeit überwiegend aus Forschungszentren in Massachusetts stammt, verlässt sich auf diese Verfügbarkeit.

Ladesystem und zukünftige Schritte

Das von ihnen vorgesehene System würde austauschbare Kartuschen verwenden, die mit flüssigem metallischem Natrium gefüllt und versiegelt würden. Wenn sie entleert sind, würden sie zu einer Ladestation zurückgebracht und mit frischem Natrium wiederbefüllt. Natrium schmilzt bei 98 Grad Celsius, knapp unter dem Siedepunkt von Wasser, sodass es leicht auf seinen Schmelzpunkt erhitzt werden kann, um die Kartuschen zu füllen.

Der ursprüngliche Plan ist es, eine Brennstoffzelle von der Größe eines Ziegelsteins herzustellen, die etwa 1.000 Wattstunden Energie liefern kann, genug, um eine große Drohne anzutreiben, um das Konzept in einer praktischen Form zu beweisen, die beispielsweise in der Landwirtschaft eingesetzt werden könnte. Das Team hofft, eine solche Demonstration innerhalb des nächsten Jahres, d.h. bis Mai 2026, fertigzustellen.

Wichtige wissenschaftliche Erkenntnisse und Teamarbeit

Karen Sugano, die den größten Teil der experimentellen Arbeit im Rahmen ihrer Doktorarbeit durchgeführt hat und nun beim Startup Propel Aero arbeiten wird, sagt, eine wichtige Erkenntnis sei die Bedeutung von Feuchtigkeit im Prozess gewesen. Während sie das Gerät mit reinem Sauerstoff und dann mit Luft testete, entdeckte sie, dass die Luftfeuchtigkeit für die Effizienz der elektrochemischen Reaktion entscheidend war. Feuchte Luft führte dazu, dass das Natrium seine Entladungsprodukte in flüssiger statt fester Form bildete, was ihre Entfernung durch den Luftstrom durch das System erheblich erleichterte. „Entscheidend war, dass wir dieses flüssige Entladungsprodukt bilden und leicht entfernen konnten, im Gegensatz zu einer festen Entladung, die sich unter trockenen Bedingungen bilden würde“, sagt sie.

Saahir Ganti-Agrawal merkt an, dass das Team auf Wissen aus verschiedenen ingenieurwissenschaftlichen Teildisziplinen zurückgegriffen hat. Beispielsweise gibt es viel Forschung zu Hochtemperatur-Natrium, aber keine mit einem feuchtigkeitskontrollierten System. „Wir stützen uns auf die Brennstoffzellenforschung hinsichtlich unseres Elektrodendesigns, wir stützen uns auf ältere Hochtemperatur-Batterieforschung sowie auf einige neuere Natrium-Luft-Batterieforschung, und wir bringen das alles irgendwie zusammen“, was zu dem „großen Leistungssprung“ führte, den das Team erreichte, sagt er.

Zum Forschungsteam gehörten auch Alden Friesen, ein Sommerpraktikant am MIT, der die Desert Mountain High School in Scottsdale, Arizona, besucht; Kailash Ramana und William Woodford von Form Energy in Somerville, Massachusetts; Shashank Sripada von And Battery Aero in Kalifornien und Venkatasubramanian Viswanathan von der University of Michigan. Die Arbeit wurde von ARPA-E, Breakthrough Energy Ventures und der National Science Foundation unterstützt, und es wurden die Einrichtungen von MIT.nano genutzt.