Wasser statt Lithiumsalze: Künftig könnte es Akkus mit einem Elektrolyt auf Wasserbasis geben – und damit eine besonders günstige und sichere Batterietechnik. Denn Forschern ist es mit einer speziellen Salzlösung gelungen, die elektrochemische Stabilität von Wasser zu verdoppeln. Bestätigen sich die vielversprechenden Ergebnisse ihrer ersten Tests, dann rückt eine wirtschaftliche Nutzung solcher Salzwasser Batterien näher.
Ob für mobile Geräte oder für die Speicherung von überschüssigem Strom aus Sonne und Wind: leistungsfähigere Akkus und Batterien werden dringend gebraucht. Ein Ansatzpunkt dafür sind verbesserte Elektroden, beispielsweise aus Graphen, Katzengold oder sogar Altglas.
Wasser als Elektrolyt?
Aber auch den Elektrolyten, das Medium, das den Elektronentransport in der Batterie übernimmt, könnte man optimieren. Forscher experimentieren bereits mit Elektrolyten aus Keramik und anderen Materialien. Rein theoretisch wäre sogar Wasser ein geeigneter Elektrolyt: Es ist preisgünstig, überall verfügbar, brennt nicht und kann Ionen leiten. Leider aber hat Wasser einen entscheidenden Nachteil: Es ist nur bis zu einer Spannungsdifferenz von 1,23 V chemisch stabil.
Eine Wasser-Zelle liefert daher dreimal weniger Spannung als eine handelsübliche Lithium-Ionen-Zelle mit 3,7 Volt. Für die beispielsweise im Elektroauto nötigen Leistungen würde sich ein Wasser-Akku daher kaum eignen. Anders dagegen für stationäre Stromspeicheranwendungen: Hierfür könnte eine kostengünstige Batterie auf Wasserbasis durchaus interessant sein – wenn man den Wasserelektrolyten stabilisieren kann.
Spezialsalz als Stabilisator
Genau dies ist nun Forscher der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Empa gelungen – durch eine verblüffend einfache Anpassung: Statt normalen Wassers nutzen sie in ihren Testbatterien spezielles Salzwasser als Elektrolyt. Denn wie sie feststellten, muss der salzhaltige Elektrolyt zwar flüssig sein, aber zugleich so hoch konzentriert, dass darin keine „überschüssigen“ Wassermoleküle enthalten sind.
Für ihre Versuche verwendeten Ruben-Simon Kühnel und David Reber das Spezialsalz Natrium-bis(fluorosulfonyl)imid), kurz Natrium-FSI. Dieses Salz ist extrem gut wasserlöslich: sieben Gramm davon lösen sich in nur einem Gramm Wasser. Der Clou dabei: In dieser Flüssigkeit sind sämtliche Wassermoleküle in einer Hydrathülle um die positiv geladenen Natrium-Kationen gruppiert. Dadurch sind kaum noch ungebundene Wassermoleküle vorhanden.
Vielversprechende Testergebnisse
Wie gut sich diese Salzlösung als Elektrolyt eignet, haben die Forscher zunächst in zwei Halbzellen getestet. In diesen Versuchsbatterien blieben die Anoden und Kathoden noch getrennt. Es zeigte sich: Die Salzlösung ist bis zu 2,6 Volt elektrochemisch stabil. Das ist knapp doppelt so viel wie andere wässrige Elektrolyten, wie Kühnel und Reber berichten. Auch wiederholte Lade- und Endladezyklen hat das System im Labor bereits erfolgreich überstanden.
In einem nächsten Schritt sollen nun die beiden Halbzellen zu einer einzigen Batterie vereinigt werden. Wenn das Experiment gelingt, rückt die preiswerte Wasser-Batterie in greifbare Nähe. „Diese Elektrolyten könnten die Herstellung von leistungsfähigen Wasser-Natrium-Ionen-Batterien ermöglichen“, konstatieren die Forscher. Preisgünstige und sichere Akkus rücken damit in greifbare Nähe. (ACS Energy Letters, 2017; doi: 10.1021/acsenergylett.7b00623)
(Empa – Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt, 11.01.2018 – NPO)
