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Solarspeicher-Alternative: Salzwasserbatterien für die wirtschaftliche Nutzung

Sind Salzwasserbatterien die natürlichen Akkus der Zukunft? Strom aus Solar- und Windenergie im großen Stil zu speichern, ist einer der Hebel für den Erfolg der Energiewende. Vor allem, wenn die Batterie der Zukunft auch aus natürlichen Ressourcen besteht – wie Wasser und Salz zum Beispiel. An genau diesem Thema arbeiten daher Wissenschaftler aus der Schweiz am Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Empa. Mit einer speziellen Salzlösung ist es ihnen gelungen, die elektrochemische Stabilität von Wasser zu verdoppeln. Damit rückt auch eine wirtschaftliche Nutzung von Salzwasser- Akkus entscheidend näher.

Der Forscher Ruben-Simon Kühnel arbeitet seit Jahren an einem Wasser-Elektrolyt für die neue Batterie. Die Vorteile: Wasser ist günstig im Preis, überall verfügbar und nicht brennbar. Zudem leitet es elektrisch geladene Ionen. Warum ist die Batterie aus Salz und Wasser also noch nicht flächendeckend im Einsatz? Das liegt an der zu geringen Spannung. Wasser hat nur eine Spannungsdifferenz von 1,23 Volt, wenn die Batterie auch chemisch stabil funktionieren soll.

Salzwasserbatterien können zur Energiewende beitragen
Batterieforschung: Ruben Simon Kühnel forscht an sogenannten wässrigen Elektrolyten für künftige Lithium-Ionen-Zellen. @Materialforschungsinstitut Empa

Salzwasser-Akkus für E-Autos und Solarspeicher?

Die Wasser-Zelle verfügt somit über drei Mal weniger Spannung als eine herkömmliche Lithium-Ionen-Zelle mit 3,7 Volt. Deshalb findet man derzeit Lithiumzellen in E-Autos und bei den meisten Solarspeichern und Batterien. Die höhere Leistungsdichte spart neben Volumen und Gewicht auch Material und Bauteile. Und damit letzten Endes bares Geld. „Mittelfristig muss für Salzwasserbatterien ein Preis von unter 200 US-Dollar pro Kilowattstunde erreicht werden, um gegen etablierte Systeme wettbewerbsfähig zu sein“, weiß auch Kühnel. Damit ist das Ziel klar gesteckt.

Die geringe Spannung ist für stationäre Stromspeicher nicht essenziell, weil das Gewicht nicht entscheidend und meist genügend Platz im Keller vorhanden ist – anders als im Auto. Kühnel und sein Kollege David Reber 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 ein Spezialsalz aus Natrium. Genauer: Natrium-Bis(fluorosulfonyl)imid. Dieses Salz löst sich sehr schnell in Wasser auf. Das verwendete Verhältnis besteht aus sieben Gramm Salz und einem Gramm Wasser. Die entstehende klare Salzlösung erreicht so bis zu 2,6 Volt und bleibt trotzdem elektrochemisch stabil. Die Entdeckung könnte der Schlüssel sein, um zeitnah preisgünstige und sichere Batteriezellen herzustellen. Salzwasserbatterien kosten außerdem auch deshalb wenig, weil sie dank ihres ungefährlichen Inhalts kein eigenes, aufwendiges Batteriemanagement benötigen.

@Materialforschungsinstitut Empa

Salzwasserbatterien: Eine Lebensdauer von mindestens 3.000 Ladezyklen ist Pflicht

2,6 Volt. Diese Spannung ist das theoretische Maximum bei dem vom Empa erforschten Salz-Wasser-System. Um diesen Wert auch in der Praxis zu erreichen, müssen die Wissenschaftler allerdings noch einige Arbeit leisten. Eine Reihe von Lade- und Entladezyklen hat das System im Labor bereits erfolgreich überstanden. Bislang jedoch testeten die Forscher die Anoden und Kathoden ihrer Versuchsbatterie getrennt, zusammen mit herkömmlichen Standardelektroden. In einem nächsten Schritt sollen nun die beiden Halbzellen zu einer Batterie vereinigt werden. Dann sind weitere Ladetests vorgesehen. Für die Marktreife der Salzwasserbatterie ist die Lebensdauer absolut entscheidend: Mindestens 3.000 Mal sollte die Batterie ge- und entladen werden können, um am Markt konkurrenzfähig zu sein.

Wann die Technologie marktreif sein wird, sei schwer abzuschätzen, meint Kühnel, da die Grundlagenforschung der Schweizer in ein marktfähiges Produkt übertragen werden müsse. Laborversuche sind das eine, eine leistungsfähige Salzwasserbatterie etwas anderes, und Erfahrungen in der Praxis fehlen bisher. Aber noch in diesem Jahr hofft der Forscher, einen Prototyp zu konstruieren.

Es gibt bereits einige Anbieter von Salzwasserbatterien. Nachteil aktueller Strompuffer ist die geringe Zellspannung von 1,23 Volt. Die Technologie an sich findet allerdings immer mehr Interessenten: Strom in Salzwasser zu speichern ist ökologisch, vor allem aber absolut sicher. Gerade in Schulen und Krankenhäusern wollen einige Verantwortliche ungern eine Lithiumbatterie sehen.

Vor einer möglichen Produkteinführung ist Grundlagenforschung nötig. @Materialforschungsinstitut Empa
Vor einer möglichen Produkteinführung ist Grundlagenforschung nötig. @Materialforschungsinstitut Empa

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