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Salzbatterie: Die Solarspeicher-Alternative

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

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 beispielsweise Wasser und Salz. An genau diesem Thema arbeiten daher Wissenschaftler aus der Schweiz in der 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 also die Salzwasserbatterie 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.

Salzwasser-Akkus für E-Autos und Solarspeicher?

Die Wasser-Zelle verfügt über dreimal weniger Spannung als eine herkömmliche Lithium-Ionen-Zelle mit 3,7 Volt. Deshalb befinden sich derzeit Lithiumzellen in E-Autos und bei den meisten Solarspeichern und Batterien. Die höhere Leistungsdichte spart neben Volumen und Gewicht auch Material und Bauteile. Folglich 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, da das Gewicht nicht entscheidend ist und beispielsweise im Keller genügend Platz besteht – anders als im Auto. Kühnel und sein Kollege David Reber haben nun einen Weg gefunden, wie sich das Problem lösen lässt: Das salzhaltige Elektrolyt für die Salzwasserbatterie 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. Hierbei besteht das verwendete Verhältnis 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. Dabei kosten Salzwasserbatterien nur wenig, da sie dank ihres ungefährlichen Inhalts kein aufwendiges Batteriemanagement benötigen.

@Materialforschungsinstitut Empa

Salzwasserbatterien: 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 Salzwasserbatterie getrennt, zusammen mit herkömmlichen Standardelektroden. In einem nächsten Schritt sollen nun die beiden Halbzellen zu einer Batterie vereinigt werden. Dann sind weitere Ladetests vorgesehen.

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. So ist für die Marktreife der Salzwasserbatterie deren Lebensdauer entscheidend: Mindestens 3.000 Mal sollte die Batterie ge- und entladen werden können, um am Markt konkurrenzfähig zu sein.

Gleichzeitig 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 Zuspruch: 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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