Die Forscher des renommierten MIT hat eine neuartige Natrium-Luft-Batterie entwickelt, die den Schwerlastverkehr grundlegend verändern könnte. Die Technologie solle eine emissionsfreie und wirtschaftliche Alternative zu Verbrennungsmotoren und herkömmlichen Batterien bieten. Die Ergebnisse ihrer Studie veröffentlichten die Wissenschaftler jüngst in der Fachzeitschrift "Joule". 

Neuer Antrieb für Schiffe & Co.: Emissionsfrei und leicht

Bisher setzen Flugzeuge, Schiffe und Lkw hauptsächlich auf fossile Brennstoffe. Diese verursachen jedoch hohe CO2-Emissionen und belasten die Umwelt. Elektroantriebe mit Lithium-Ionen-Akkus gelten zwar als saubere Alternative, haben aber entscheidende Nachteile: Ihr Gewicht und ihre begrenzte Energiedichte machen sie für den Schwerlastverkehr oft ungeeignet. Zudem sind sie verhältnismäßig teuer in der Anschaffung.

Genau hier setzt die neue Natrium-Luft-Brennstoffzelle an. Sie kombiniert die Vorzüge von Natrium als günstigem, leichtem und ungiftigem Anodenmaterial mit Luft als allgegenwärtigem, kostenlosem "Treibstoff". In den Tests erreichte sie Energiedichten von über 1.200 Wattstunden pro Kilogramm und liegt damit im Bereich der Anforderungen für die Elektrifizierung des Schwerlastverkehrs. Zum Vergleich: Die besten Lithium-Ionen-Akkus, wie sie derzeit in Elektroautos im Einsatz sind, erzielen lediglich 250 bis maximal 300 Wattstunden pro Kilogramm.

So funktioniert die Super-Brennstoffzelle

Die neuartige Brennstoffzelle nutzt metallisches Natrium als Energieträger, ähnlich wie Wasserstoff in herkömmlichen Brennstoffzellen verwendet wird. Das System basiert auf einer elektrochemischen Reaktion zwischen flüssigem Natrium und befeuchteter Luft, wobei elektrische Energie freigesetzt wird.

Das Herzstück der Technologie ist eine keramische Membran aus Natrium-Aluminiumoxid, die als Festelektrolyt fungiert. Diese trennt das flüssige Natrium von der Luftelektrode und ermöglicht selektiv den Transport von Natrium-Ionen. Bei der Entladung oxidiert das Natrium an der Anode zu Natrium-Ionen, die durch den Elektrolyten zur Kathode wandern. Dort reagieren sie mit Sauerstoff und Wasserdampf aus der zugeführten Luft zu Natriumhydroxid. Der elektrische Strom entsteht durch den Elektronenfluss von der Natrium-Anode über einen externen Stromkreis zur Luftkathode, während die Natrium-Ionen intern durch die Membran wandern.

Im Gegensatz zu wiederaufladbaren Batterien ist dieses System als Primärzelle konzipiert, bei der verbrauchtes Natrium extern nachgefüllt wird. Dieser Ansatz umgeht die technischen Herausforderungen der elektrochemischen Wiederaufladbarkeit und ermöglicht die hohen Leistungswerte, die für praktische Anwendungen erforderlich sind.

Noch Herausforderungen zu meistern

Die Natrium-Luft-Technologie hat das Potenzial, den Schwerlastverkehr grundlegend zu verändern. Ihre hohe Energiedichte, die günstigen Materialien und der emissionsfreie Betrieb machen sie zu einer vielversprechenden Alternative für Flugzeuge, Schiffe und Lkw. Den Forschern zufolge könnten die Betriebskosten im Vergleich zu fossilen Brennstoffen um bis zu 90 Prozent sinken. Gleichzeitig würden die CO2-Emissionen drastisch reduziert.

Bis zur Marktreife sind jedoch noch einige Herausforderungen zu meistern, etwa hinsichtlich Lebensdauer und Skalierbarkeit. Gelingt dies, könnte die Technologie einen wichtigen Beitrag zum Klimaschutz und zur Dekarbonisierung des Verkehrssektors leisten.