Auf der Suche nach sicheren, günstigen Akkus stellt sich irgendwann die Frage: Warum nehmen wir nicht Wasser als Elektrolyt? Wasser ist günstig, 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 Wasserzelle liefert also dreimal weniger Spannung als eine Lithium-Ionen-Zelle mit 3,7 V, weshalb sie sich für Anwendungen im Elektroauto kaum eignen würde. Eine günstige 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: 7 g Natrium-FSI und 1 g Wasser ergeben eine klare Salzlösung. In dieser Flüssigkeit sind sämtliche Wassermoleküle um die positiv geladenen Natriumkationen herum in einer Hydrathülle gruppiert, es sind kaum ungebundene Wassermoleküle mehr vorhanden.So entsteht eine klare Salzlösung mit einer elektrochemischen Stabilität von bis zu 2,6 V – doppelt so viel wie bei anderen wässrigen Elektrolyten.
Günstige und gefahrlose Fertigung
Die Entdeckung könnte der Schlüssel zu günstigen und sicheren Batteriezellen sein. Preisgünstig auch deshalb, weil sich die Natrium-FSI-Zellen ungefährlicher und damit einfacher bauen liessen als die bekannten Li-Io-Akkus.
Eine Reihe von Lade- und Endladezyklen hat das System im Labor bereits erfolgreich überstanden. Bisher jedoch testeten die Forscher die Anoden und Kathoden getrennt – gegen eine Standardelektrode als Partner. In einem nächsten Schritt sollen nun beide 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 Stromspeicherkonzepte auf nationaler Ebene koordiniert und durch das Paul-Scherrer-Institut geleitet wird. Wenn das Experiment gelingt, rückt die preiswerte Wasserbatterie in greifbare Nähe.
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