Beim Experimentieren den Allgemeinen Warnhinweis unbedingt beachten.

Die üblichen Batterien bzw. Akkumulatoren enthalten Schwermetalle und haben deshalb oftmals eine zu große Masse, was ihre Energiedichte (kWh/kg) reduziert. Auch bereitet ihre Entsorgung aufgrund des Elektrodenmaterials Probleme. Ihre Elektrolyte sind ätzende Flüssigkeiten wie Schwefelsäure oder Kalilauge, die zudem mit Schwermetallverbindungen belastet sind.

Eine Alternative ist die Natrium-Schwefel-Batterie (kurz Na/S-Batterie). Sie enthält keine Elektrolytfüssigkeiten und auch keine Schwermetalle. Sie ist viel leichter als die bisherigen Typen. Deshalb wird sie auch schon zumindestens probeweise zum Antrieb von sog. Null-Emissions-Autos (Elektroautos wie z. B. BMW) eingesetzt. Außerdem ist sie wieder aufladbar. Ihre Funktion beruht auf der (unter bestimmten Bedingungen reversiblen) Redoxreaktion zwischen Natrium und Schwefel:

Achtung: Die direkte Reaktion zur Demonstration der Energiefreisetzung darfst du wegen der hohen Explosionsgefahr auf keinen Fall ausprobieren! Du darfst die Substanzen nicht einmal mischen, da sie bei Kontakt sofort unkontrolliert miteinander reagieren können.

Lässt man Reduktion und Oxidation in durch ein Diaphragma getrennten Reaktionsräumen ablaufen, so baut sich eine Spannung auf. Diese beträgt 2,1 V. Verbindet man die Reaktionsräume über einen äußeren Leiter, so fließt ein elektrischer Strom.

Diese Reaktionsgleichungen sind stark vereinfachte Darstellungen des recht komplizierten Ablaufs im Element. (Zum genauen Reaktionsmechanismus siehe [1].)

Probleme bei der technischen Realisierung:

Schwefel ist ein Isolator:
Schwefel wird durch Zusatz von Graphitpulver elektrisch leitend gemacht.

Die Reaktionsräume sind stofflich strikt voneinander abzutrennen. Gleichzeitig ist die elektrische Leitfähigkeit zu gewährleisten:
Das geschieht durch eine keramische Membran aus Aluminiumoxid, die aufgrund ihres ionischen Aufbaus zugleich Elektrolyt und für Natrium-Ionen durchlässig ist.

Die Keramikmembran wird erst ab höherer Temperatur für Ionen durchlässig:
Der Akkumulator muss auf ca. 290-350 °C vorgeheizt werden.

Natrium reagiert leicht mit Sauerstoff und Wasser:
Die Batterie muss (vor allem, wenn sie erhitzt wird) luftdicht abgeschlossen werden (siehe Bild 1).

Spannung und Stromstärke sind für den Betrieb eines Autos zu gering:
Viele Einzel-Batterien werden zur Steigerung der Spannung in Reihe und zur Steigerung der Stromstärke parallel geschaltet (siehe Bild 1).

Heute ist die Na/S-Batterie über ihr Versuchsstadium hinausgekommen. Ihre praktische Energiedichte beträgt 0,120 Kilowattstunden/kg. Sie gilt als das momentan aussichtsreichste System [2].

Überlegungen zum Bau und Betrieb eines einfachen Funktionsmodells der Na/S-Batterie

1.	In der Veröffentlichung [1] wurde zur Na/S-Batterie ein Funktionsmodell vorgestellt. Dieses Modell hat allerdings den Nachteil, dass es recht kompliziert ist. Man kann es aber stark vereinfachen [3]. Dann kommt man mit geringen Mitteln aus. Schüler können es im Unterricht sogar selbst rasch herstellen (siehe Bild 2).
2.	Anstelle der Keramikmembran verwenden wir ein Reagenzglas aus hochwertigem Glas (kein ionenfreies Quarzglas!) zur elektrisch leitenden Trennung der Reaktionsräume. Allerdings lässt sich dann die Reversibilität des galvanischen Elements, die im technisch ausgefeilten Prozess möglich ist, wegen des hohen Innenwiderstandes und des damit verbundenen geringen Stoffumsatzes nicht sinnvoll demonstrieren.
3.	Der Nachweis, dass Energie abgegeben wird, ist außer durch Messen der Spannung mit einem hochohmigen Voltmeter problematisch: Wegen des hohen Innenwiderstands des Modells ist die maximal mögliche Stromstärke so gering, dass auch kein noch so niedrigohmiger Elektromotor betrieben werden kann. Vielleicht kann euch aber ein Elektrobastler eine Leuchtdiodenschaltung bauen. Bekanntlich ist die Aufnahme an elektrischer Energie durch eine Leuchtdiode äußerst gering. Damit ist der Nachweis des Stromflusses, der im Mikroamperebereich liegt, möglich.

Aufbau des Funktionsmodells einer Na/S-Batterie

Versuch: Bau und Betrieb einer Na/S-Batterie Schülerversuch; mit Aufbau 30 min, Betrieb 10 min. Geräte Becherglas (Duran® oder höherwertiger, 50 ml); kleines Reagenzglas (Fiolax®, kein Quarzglas!, z. B. Länge 7,5 cm, Durchmesser 1,2 cm); sauberer, entfetteter, rostfreier Eisenstab (mindestens 10 cm lang); sauberer, frischer Graphitstab (kein Holzkohlestab!); Heizplatte, Brenner, Kabelmaterial, Spannungs- und Strommessgerät, ggf. Leuchtdiode, Stativmaterial. Chemikalien Schwefelblüte, Graphitpulver, Natrium (F,C), festes Paraffin oder Kerzenwachs. Durchführung Sicherheitshinweise Schutzbrille tragen. Das Glasmaterial muss hochwertig und absolut sprungfrei sein. Überhitzung der Heizplatte vermeiden. Den Aufbau nach Bild 2 so vornehmen, dass die Heizplatte rasch unter der Batterie weggezogen werden kann. Gegebenenfalls nur mit Schaum und nicht mit Wasser löschen. a) Zusammenbau des Elements Minuspol: Fülle das kleine Reagenzglas zu etwa einem Viertel mit festem Paraffin und schmelze dieses auf. Dann wirfst du etwa 1 cm3 sauberes, frisch entrindetes Natriummetall hinein. (Bei einem größeren Reagenzglas wird die Menge entsprechend erhöht.) Das Natrium sinkt durch das flüssige Paraffin auf den Boden des Glases. Erhitzte weiter, bis auch das Natrium schmilzt. Stecke den entfetteten Eisenstab hinein und fixiere ihn. Lösche die Brennerflamme. Das Reagenzglas darfst du zum eventuellen Kühlen niemals mit Wasser behandeln. Pluspol: Mische 16 g Schwefelblume sowie 8 g Graphitpulver und gib die Mischung in das Becherglas. Stecke den Graphitstab hinein. Achtung: Hierzu nicht etwa einen Holzkohlestab nehmen! b) Betrieb des galvanischen Elements Stecke das Reagenzglas mit dem Natrium in die Schwefel-Graphitmischung. Du solltest die Anordnung der Elektroden mit einem durchbohrten Holzdeckel fixieren. Aber auf keinen Fall eine Kunststoffplatte verwenden, da sich diese beim Hochheizen verformt oder sogar schmelzen kann. Anschließend stellst du das Becherglas auf die Heizplatte und fixierst den Aufbau mit Stativmaterial. Beim Aufbau musst du daran denken, dass die Heizplatte gegebenenfalls rasch unter dem Batteriemodell weggezogen werden kann. Verbinde die beiden Pole mit einem Kabel. Schalte Voltmeter, Amperemeter und gegebenenfalls die Leuchtdiode hinzu. Die Spannung beträgt 0 Volt. Nun regelst du die Heizplatte auf volle Leistung. Nach kurzer Zeit steigt die Spannung kräftig an. Ab und zu musst du den Eisenstab in das Natrium hineinschieben. Regele die Heizplatte bald herunter oder stelle sie ganz aus, da sie noch lange nachheizt. Ergebnis Die maximale Spannung beträgt etwa 2,1 - 2,2 V. Bei Kurzschluss liegt die Stromstärke bei einigen Mikroampere. Während des Abkühlens sinken Spannung und Stromstärke langsam wieder gegen Null ab. Entsorgung Dein Lehrer wird das Natriummetall (C) nach Abkühlen mit Methanol (F, T) versetzen, wobei es sich zu weniger schädlichem Natriummethylat (Xi) zersetzt. Die Graphit/Schwefelmasse kannst du in den Hausmüll geben. Besser ist es aber, wenn dein Lehrer die Batterie nach Abkühlen in die Sammlung stellt, da sie jederzeit wieder genutzt werden kann. Das spart Zeit und reduziert zudem die Abfallmenge.

Rüdiger Blume

Weitere Tipps des Monats

Literatur

[1]	G. Dahlke, Die Natrium-Schwefel-Batterie. Praxis (Chemie) 3/38, (1989), 14-18.
[2]	VEBA AG (Herausgeber): Das Elektroauto - Fakten und Argumente, Düsseldorf 1992. (Adresse: VEBA AG, Bennigsenplatz 1, 40474 Düsseldorf.)
[3]	R. Blume, A. Hildebrand und U. Hilgers: Umweltchemie im Unterricht. Ein praktischer Leitfaden; Cornelsen-Verlag, Berlin 1996, 279 S; (ISBN 3-464-03513-1).