Günstig und sicher – die Salzwasserbatterie

Wasser könnte die Basis bilden für zukünftige, besonders preisgünstige aufladbare Batterien. Empa-Forschern ist es mit einer speziellen Salzlösung gelungen, die elektrochemische Stabilität von Wasser zu verdoppeln. Damit rückt eine wirtschaftliche Nutzung der Technologie näher.

Auf der Suche nach sicheren, preisgünstigen Akkus für die Zukunft stellt sich irgendwann die Frage: Warum nehmen wir nicht einfach Wasser als Elektrolyt? Wasser ist preisgünstig, überall verfügbar, brennt nicht und kann Ionen leiten. Doch Wasser hat einen entscheidenden Nachteil: Es ist nur bis zu einer Spannungsdifferenz von 1,23 V chemisch stabil. Eine Wasser-Zelle liefert also dreimal weniger Spannung als eine handelsübliche Lithium-Ionen-Zelle mit 3,7 Volt, weshalb sie sich für Anwendungen im Elektroauto kaum eignen würde. Eine kostengünstige Batterie auf Wasserbasis könnte aber für stationäre Stromspeicheranwendungen äusserst interessant werden.

Ruben-Simon Kühnel und David Reber, Forscher in der Empa-Abteilung «Materials for Energy Conversion», haben 2018 einen Weg entdeckt, wie das Problem zu lösen sein könnte: Der salzhaltige Elektrolyt muss zwar flüssig sein, aber zugleich so hoch konzentriert, dass darin kein «überschüssiges» Wasser enthalten ist.

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«Die ökonomisch und ökologisch tragfähige Speicherung von Strom ist ein entscheidender Erfolgsfaktor des Energiewandels. Ich bin froh mit meiner Forschungsarbeit dabei mitwirken zu können.»

David Reber, Forscher in der Abteilung "Materials for Energy Conversion

Für ihre Versuche benutzten die beiden Forscher das Spezialsalz Natrium-FSI. Dieses Salz ist extrem gut wasserlöslich: sieben Gramm Natrium-FSI und ein Gramm Wasser ergeben eine klare Salzlösung. In dieser Flüssigkeit sind sämtliche Wassermoleküle um die positiv geladenen Natriumionen in einer Hydrathülle gruppiert, es ist kaum ungebundenes Wasser vorhanden.

Die Forscher fanden dabei heraus, dass diese Salzlösung eine elektrochemische Stabilität von bis zu 2,6 Volt aufweist – also knapp doppelt so viel wie andere wässrige Elektrolyten. Die Entdeckung könnte der Schlüssel zu preisgünstigen und sicheren Batteriezellen sein. Preisgünstig auch deshalb, weil sich die Natrium-FSI-Zellen ungefährlicher und damit einfacher bauen liessen als die bekannten Li-Ionen-Akkus.

Bislang testeten die Forscher die Anoden und Kathoden ihrer Versuchsbatterie getrennt – gegen eine Standardelektrode als Partner. Anfang 2019 ist es ihnen aber gelungen, die beiden Halbzellen zu einer einzigen Batterie zu vereinen, und die Batterie währen 500 Lade- und Entladezyklen sowohl bei Raumtemperatur als auch bei -10 °C zu stabilisieren. Die preiswerte Wasser-Batterie rückt also in greifbare Nähe.

Der Ursprung dieser Forschung lag in einem durch den Empa Zukunftsfonds geförderten Projekt.

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Forschung am Wasser-Elektrolyt: Empa-Forscher Ruben-Simon Kühnel schliesst eine Test-Zelle mit der konzentrierten Salzlösung ans Ladegerät an. In mehreren Lade- und End-ladezyklen wird die Stabilität des Systems ermittelt. Bild: Empa