Eine Batterie aus Salzwasser

Auf der Suche nach sicheren, preisgünstigen Akkus für die Zukunft stellt sich die Frage: Warum nicht 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 Volt chemisch stabil. Eine Wasser­zelle 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 interes­sant sein.

Ruben-Simon Kühnel und David Reber von der Eid­genös­sischen Material­prüfungs- und Forschungs­anstalt EMPA haben nun einen Weg ent­deckt, dieses Problem zu lösen: 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. Es 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 Natrium-Kationen herum in einer Hydrat­hülle gruppiert, es sind kaum unge­bun­dene Wasser­mole­küle mehr vor­handen.

Die Forscher fanden 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 Entlade­zyklen 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.

EMPA / RK