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.
Rainer Klose (Empa)
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.
Salzlösung ohne freies Wasser
Ruben-Simon Kühnel und David Reber, Forscher in der Empa-Abteilung «Materials for Energy Conversion», haben nun 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.
Für ihre Versuche benutzten die beiden Forscher das Spezialsalz Natrium-FSI (exakter Name: Natrium-bis(fluorosulfonyl)imid). Dieses Salz ist extrem gut wasserlöslich: sieben Gramm Natrium-FSI und ein Gramm Wasser ergeben eine klare Salzlösung (siehe Videoclip). In dieser Flüssigkeit sind sämtliche Wassermoleküle um die positiv geladenen Natrium-Kationen herum in einer Hydrathülle gruppiert, es sind kaum ungebundene Wassermoleküle mehr vorhanden.
Kostengünstige Fertigung
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 sein zu preisgünstigen und sicheren Batteriezellen. Preisgünstig auch deshalb, weil sich die Natrium-FSI-Zellen ungefährlicher und damit einfacher bauen liessen als die bekannten Li-Ionen-Akkus.
Eine Reihe von Lade- und Endladezyklen hat das System im Labor bereits erfolgreich überstanden. Bislang jedoch testeten die Forscher die Anoden und Kathoden ihrer Versuchsbatterie getrennt – gegen eine Standardelektrode als Partner. In einem nächsten Schritt sollen nun die beiden Halbzellen zu einer einzigen Batterie vereinigt werden. Dann sind weitere Lade- und Entladezyklen vorgesehen.
Diese Forschungsaktivitäten der Empa an neuartigen Batterien für stationäre Stromspeicher sind in das «Swiss Competence Center for Heat and Electricity Storage» (SCCER HaE) eingebettet, das Forschung für neue Wärme- und Stromspeicher Konzepte auf nationaler Ebene koordiniert und durch das Paul Scherrer Institut geleitet wird. Wenn das Experiment gelingt, rückt die preiswerte Wasser-Batterie in greifbare Nähe.