Elektrochemische Metall-Luft-Zelle

Lithium-LuftBearbeiten

Die bemerkenswert hohe Energiedichte von Lithiummetall (bis zu 3458 Wh/kg) inspirierte die Entwicklung von Lithium-Luft-Batterien. Eine Lithium-Luft-Batterie besteht aus einer festen Lithiumelektrode, einem diese Elektrode umgebenden Elektrolyten und einer sauerstoffhaltigen Umgebungselektrode. Derzeitige Lithium-Luft-Batterien lassen sich anhand des verwendeten Elektrolyten und der anschließenden elektrochemischen Zellarchitektur in vier Unterkategorien einteilen. Diese Elektrolytkategorien sind aprotisch, wässrig, gemischt wässrig/aprotisch und fest, die alle ihre eigenen Vor- und Nachteile haben. Dennoch wird die Effizienz von Lithium-Luft-Batterien immer noch durch die unvollständige Entladung an der Kathode, die Überspannung beim Laden, die die Überspannung beim Entladen übersteigt, und die Stabilität der Komponenten begrenzt. Während der Entladung von Lithium-Luft-Batterien reagiert das gebildete Superoxid-Ion (O2-) mit dem Elektrolyten oder anderen Zellkomponenten und verhindert, dass die Batterie wiederaufladbar ist.

Natrium-Luft-Batterien wurden in der Hoffnung vorgeschlagen, die mit Superoxid in Lithium-Luft-Batterien verbundene Instabilität der Batterie zu überwinden. Natrium weist mit einer Energiedichte von 1605 Wh/kg keine so hohe Energiedichte auf wie Lithium. Es kann jedoch ein stabiles Superoxid (NaO2) bilden, während das Superoxid schädliche Sekundärreaktionen eingeht. Da sich NaO2 bis zu einem gewissen Grad reversibel in die elementaren Bestandteile zerlegen lässt, bedeutet dies, dass Natrium-Luft-Batterien eine gewisse Fähigkeit besitzen, wiederaufladbar zu sein. Natrium-Luft-Batterien können nur mit aprotischen, wasserfreien Elektrolyten funktionieren. Als ein DMSO-Elektrolyt mit Natriumtrifluormethansulfonimid stabilisiert wurde, konnte die höchste Zyklenstabilität einer Natrium-Luft-Batterie erzielt werden (150 Zyklen).

Kalium-Luft-BatterienEdit

Kalium-Luft-Batterien wurden auch in der Hoffnung vorgeschlagen, die mit Superoxid verbundene Batterieinstabilität in Lithium-Luft-Batterien zu überwinden. Zwar wurden mit Kalium-Luft-Batterien bisher nur zwei bis drei Lade-/Entladezyklen erreicht, doch bieten sie eine außergewöhnlich niedrige Überspannungsdifferenz von nur 50 mV.

Zink-LuftBearbeiten

Zink-Luft-Batterien werden für Hörgeräte und Filmkameras verwendet.

Magnesium-LuftBearbeiten

Kalzium-LuftBearbeiten

Kein Artikel; siehe auch Kalzium: Chemische Eigenschaften für einige Reaktionen mit Luft (Sauerstoff).

Aluminium-LuftBearbeiten

Eisen-LuftBearbeiten

Eisen-Luft-Akkumulatoren sind eine attraktive Technologie mit dem Potenzial zur Energiespeicherung im Netzmaßstab. Der Hauptrohstoff dieser Technologie ist Eisenoxid (Rost), das reichlich vorhanden, ungiftig, kostengünstig und umweltfreundlich ist. Die meisten der derzeit entwickelten Batterien nutzen Eisenoxid (meist in Pulverform) zur Erzeugung/Speicherung von Wasserstoff über die Fe/FeO-Reduktions-/Oxidationsreaktion (Fe + H2O ⇌ FeO + H2). In Verbindung mit einer Brennstoffzelle kann sich das System wie eine wiederaufladbare Batterie verhalten, die durch die Produktion/Verbrauch von Strom H2O/H2 erzeugt. Darüber hinaus hat diese Technologie nur minimale Auswirkungen auf die Umwelt, da sie zur Speicherung von Energie aus intermittierenden Solar- und Windkraftquellen verwendet werden könnte, wodurch ein Energiesystem mit geringen Kohlendioxidemissionen entwickelt wird.

Die Funktionsweise des Systems kann mit der Fe/FeO-Redoxreaktion beginnen, dann kann der bei der Oxidation von Eisen entstehende Wasserstoff von einer Brennstoffzelle in Verbindung mit Sauerstoff aus der Luft verbraucht werden, um Strom zu erzeugen. Wenn der Strom gespeichert werden muss, wird der durch den umgekehrten Betrieb der Brennstoffzelle aus Wasser erzeugte Wasserstoff bei der Reduktion des Eisenoxids zu metallischem Eisen verbraucht. Durch die Kombination dieser beiden Zyklen funktioniert das System wie eine wiederaufladbare Eisen-Luft-Batterie.

Grenzwerte dieser Technologie ergeben sich aus den verwendeten Materialien. In der Regel werden Eisenoxid-Pulverbetten gewählt, aber das schnelle Sintern und die Pulverisierung der Pulver schränken die Möglichkeit ein, eine hohe Anzahl von Zyklen zu erreichen, was zu einer geringeren Kapazität führt. Andere Methoden, die derzeit untersucht werden, wie 3D-Druck und Gefrierguss, sollen die Herstellung von Architekturmaterialien ermöglichen, die während der Redoxreaktion große Oberflächen- und Volumenänderungen ermöglichen.

Silizium-LuftBearbeiten