Salzwasserbatterie: Umweltfreundliche Energiespeicher als Alternative zu Lithium

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Salzwasserakkus punkten mit günstigen und in großen Mengen verfügbaren Rohstoffen. Die Natriumsalze sind zudem weder entflammbar noch giftig. Aktuell sind Salzwasserbatterien noch Nischenprodukte, da ihre Performance nicht mit der von Lithium-Ionen-Akkus mithalten kann. Trotzdem bleibt die Technologie zukunftsträchtig. Gelingt es Forschern die Energiedichte zu erhöhen, könnten die umweltfreundlichen Batterien den Marktdurchbruch schaffen.

Salzwasserakkus: Elektrolyt auf Wasserbasis schafft sichere Batterien

Im Periodensystem der Elemente befindet sich Natrium direkt unter Lithium. Die beiden Alkalimetalle ähneln sich chemisch stark: Beide sind reaktionsfreudig und geben gerne Elektronen ab. Salzwasserbatterien funktionieren nicht anders als Lithium-Akkus. In der Anode aus Kohlenstoff oxidiert Natrium und setzt Elektronen frei. Die positiv geladenen Natrium-Ionen wandern zur Kathode, wo sie Mangandioxid oder ein anderes Metall reduzieren.

Genauso wie bei Lithium-Batterien befinden sich die Natriumsalze in einer Lösung. Anders als bei Lithiumsalzen, die eine saure Umgebung benötigen, dient jedoch bei den meisten Salzwasserakkus Wasser als Lösemittel. Dadurch ist der Elektrolyt weder korrosiv noch giftig. Das verschafft der Technologie einen eindeutigen Vorteil. Tritt wegen eines Lecks Flüssigkeit aus der Batterie aus, sind weder Menschen noch Gegenstände gefährdet. Ein Transport als Gefahrgut ist nicht notwendig, was die Kosten senkt.

Während es in Vergangenheit zahlreiche Unfälle mit Lithium-Batterien gegeben hat, die im Betrieb Feuer gefangen haben, sind Elektrolyte auf Wasserbasis zudem nicht entflammbar. Zwar hat sich die Sicherheit von Lithium-Ionen-Akkus in den letzten Jahren kontinuierlich verbessert, dennoch neigen sie bei Temperaturen außerhalb des erlaubten Bereichs und bei Beschädigungen des Separators zum thermischen Durchgehen. In einem solchen Fall überhitzt sich der Akku stark, bis es zu einem Brand kommt. Aus diesem Grund überwachen sogenannte Balancer stets die Temperatur.

Bei Salzwasserbatterien ist ein Brand unmöglich, da der Elektrolyt aus Wasser besteht. Auch mindert Wasser die thermischen Schwankungen. Der Akku erwärmt sich bei großer Hitze nicht so stark und kühlt bei niedrigen Temperaturen nicht so schnell ab. Dadurch lassen sich Salzwasserakkus auch in sicherheitskritischen Bereichen einsetzen, zum Beispiel in der Luftfahrt und dort, wo sich explosive Chemikalien befinden.

Salzwasserbatterien: Salz ist nicht gleich Salz

Wenn wir an eine Salzlösung denken, fällt uns als Erstes meist Wasser mit gewöhnlichem Kochsalz ein. Salzwasserakkus nutzen jedoch andere Salze als Natriumchlorid, dessen Energiedichte zu gering wäre. Auch ist bei Kochsalz die Beweglichkeit der Natrium-Ionen im Wasser zu gering, um eine leistungsstarke Batterie zu erschaffen. In Frage kommen Natriumsalze wie Natriumperchlorat (NaClO4), Natrium-Trifluoromethansulfonat (NaCF3SO3) und Natrium-Titanium-Phosphat (NaTi2(PO4)3).

Salzwasserbatterien nutzen jedoch nicht zwingend Natrium-Ionen. In der Vergangenheit fanden Versuche ebenfalls mit Kalium-, Zink-, Magnesium- und Aluminium-Salzen statt. Kalium hat den Vorteil eines niedrigen Redox-Potentials. Dadurch ist theoretisch eine hohe Gesamtspannung (Potentialunterschied zwischen Anode und Kathode) möglich. Zink- und Magnesium-Ionen tragen dagegen eine doppelte Ladung, Aluminium-Ionen geben sogar drei Elektronen ab. Dadurch erhöhen sich die Anzahl der bewegten Ladungen und damit die Stromdichte. Dennoch sind solche Salzwasserbatterien bis jetzt nie über Prototypenphase hinaus entwickelt worden.

Niedrige Spannung, aber hohe Entladetiefe

Bei den bisher vermarkteten Salzwasserbatterien ist die maximale Spannung auf 1,23 Volt begrenzt, da bei einer höheren Spannung die Wassermoleküle des Elektrolyts sich in ihre Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zersetzen. Damit beträgt die Spannung nur ein Drittel im Vergleich zu den Lithium-Ionen-Akkus, die maximal auf 3,6 Volt kommen. Für die gleiche Batterieleistung sind daher mehr Zellen notwendig, was mehr Volumen und mehr Gewicht bedeutet. Das schränkt die Anwendungsmöglichkeiten von Salzwasserbatterien ein, da sowohl Elektrofahrzeuge als auch Elektrogeräte kompakte und leichte Akkus benötigen.

Anders sieht es bei stationären Energiespeichern für Stromnetze aus. Weil sie sich im Freien und meist an entlegenen Orten befinden, spielt das Platz- und Gewichtsproblem keine große Rolle. Auch bei Speichern für privat betriebene Solaranlagen sind Maße und Gewicht nicht entscheidend, da die Solarspeicher meist im Keller untergebracht werden. Hier punkten Salzwasserbatterien mit potentiell niedrigen Kosten und einem sicheren Betrieb.

Ein weiterer Vorteil ist, dass Salzwasserbatterien sich im Gegensatz zu den meisten anderen Akkus vollständig tiefentladen lassen. Die maximale Entladetiefe von Lithium-Ionen-Akkus beträgt dagegen 95 Prozent, bei Blei-Säure-Batterien sind es sogar nur um die 60 Prozent. Sinkt die Spannung unter einen bestimmten Wert, entstehen irreparable Schäden. Bei Salzwasserakkus ist eine Spannung von Null dagegen unproblematisch.

Günstige und recycelbare Rohstoffe für Salzwasserakkus

Lithium-Batterien weisen eine fragwürdige ökologische Bilanz auf. Obwohl derzeit kein Lithiummangel herrscht, befinden sich die Vorkommen in wenigen Ländern, darunter Chile, Bolivien und China. Hier verunstaltet der Abbau die Umwelt und beeinflusst die Grundwasserreservoirs negativ. Weiterhin enthalten viele Lithium-Akkus Kobalt, das vor allem in Kongo unter lebensgefährlichen Bedingungen geschürft wird.

Salzwasserbatterien haben unter diesem Aspekt eindeutig die Nase vorne. Die verwendeten Natriumsalze finden bereits in der Industrie eine breite Anwendung. Der Rohstoff Natrium lässt sich leicht durch Austrocknung von Meerwasser gewinnen, ohne dass negative Konsequenzen für die Umwelt entstehen.

Auch in Puncto Wiederverwertbarkeit schlagen Salzwasserbatterien herkömmliche Lithium-Akkus, die am Ende ihrer Lebensdauer bis dato meist entsorgt werden. Wegen der ungiftigen Rohstoffe fällt es leichter, die Materialien am Ende des Lebenszyklus der Batterie zu recyclen. Ohnehin halten Salzwasserakkus 3000 bis 5000 Lebenszyklen aus und erreichen damit selbst bei einer täglichen Auf- und Entladung eine Lebensdauer von mindestens acht Jahren. Auch unter diesem Aspekt sind sie allen bisher erhältlichen Batterien überlegen.

Salzwasserakkus von Aquion Energy

Die Idee einer wässrigen Salzlösung als Elektrolyt ist nicht neu. Die weltweit erste Batterie, die Voltasche Säule, bestand aus in Salzwasser getränkten Lederscheiben. Dennoch setzten sich schlussendlich andere Technologien wie Blei-Säure-Akkus durch, die eine höhere Energiedichte versprachen. Lange Zeit erfuhren Salzwasserbatterien keine Aufmerksamkeit.

Erst 2008 gründete der Physiker und Professor für Materialwissenschaften Jay Whitacre das Unternehmen Aquion Energy, das Salzwasserbatterien als Solarspeicher kommerziell anbot. Bereits seit 2007 hatte er an der Carnegie-Mellon-University in Pittsburgh (Pennsylvania) an der Technologie geforscht. Die Akkus nutzten eine Anode aus Kohlenstoff, Titan und Phosphat, eine Kathode aus Manganoxid und einen wässrigen Elektrolyt. Als Ladungsträger diente Glaubersalz (Na2SO4).

Die Hauptprodukte stellten eine 24-Volt-Batterie mit einer Leistung von 1,9 Kilowattstunden und eine 48-Volt-Batterie mit einer Kapazität von 2,2 Kilowattstunden dar. Ein Pluspunkt der Technologie waren die langen Lade- und Entladezyklen bis zu 20 Stunden. Das ermöglichte Betreibern von Solaranlagen, bei Leistungsüberschüssen die Energie komfortabel zu speichern und bei Flauten zu verbrauchen. Das Unternehmen sammelte über 35 Millionen Dollar an Kapital. Zu den Investoren zählten unter anderem Bill Gates und Venture Capital Gesellschaften wie Kleiner Perkins.

Leider ging die Vermarktungsstrategie nicht auf. Im März 2017 musste Aquion Energy Insolvenz anmelden. Vier Monate später kaufte das chinesische Technologieunternehmen China Titans Aquion Energy auf mit der Absicht, die Salzwasserakkus weiter anzubieten. Bis heute sind die Batterien jedoch nicht mehr erhältlich.

BlueSky Energy vermarktet erfolgreich Salzwasserbatterien

Die Hauptschwierigkeit bei der Vermarktung der Salzwasserbatterien von Aquion Energy dürfte der im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien höhere Preis pro Kilowattstunde gewesen sein. 2016 kosteten Lithium-Akkus um die 270 Dollar pro Kilowattstunde Speicherkapazität. Die Salzwasserbatterien von Aquion Energy waren trotz günstiger Rohstoffe mit 880 Dollar pro Kilowattstunde fast viermal so teuer. Wegen der niedrigen Energiedichte waren jedoch mehr davon nötig, um eine ausreichende Energiedichte zu erreichen, was die Vorteile von Salzwasserbatterien zunichtemachte.

Inzwischen sind auf dem Markt angebotene Solarspeicher aus Salzwasserbatterien jedoch durchaus gegenüber Lithium-basierten Akkus konkurrenzfähig. Die Firma BlueSky Energy aus Vöcklamarkt (Österreich) nutzt die Technologie von Aquion Energy weiter und vertreibt Salzwasserakkus unter der Marke Greenrock. Ein Speicher mit 10 Kilowattstunden kostet aktuell um die 10.000 Euro, was ungefähr dem Preis für Solarspeicher aus Lithium-Ionen-Zellen mit der gleichen Kapazität entspricht.

Die Salzwasserbatterien von Greenrock sind doppelt so schwer wie Lithium-Ionen-Akkus mit derselben Kapazität. Auch ist der C-Faktor niedriger, was längere Lade- und Entladezeiten bedeutet. Auf der anderen Seite ist eine Entladetiefe von 100 Prozent möglich, ohne dass die Batterie beschädigt wird. Zudem sind die Akkus aus den bereits genannten Gründen nachhaltiger als Lithium-Speicher.

Forscher erhöhen die Energiedichte von Salzwasserakkus

Bei der Kommerzialisierung von Salzwasserbatterien stellt die niedrige Energiedichte ein Hindernis dar. In den letzten Jahren versuchten Forscher, das Problem zu lösen. Die Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA) finanzierte 2017 ein Projekt mit Salzwasserakkus. Die ungiftige, hochkonzentrierte Lösung aus Natrium-FSI (Natrium-(Bis(fluorosulfonyl)imid)) in einem Verhältnis 7:1 erwies sich bis zu 2,6 Volt als elektrochemisch stabil. Damit war die erreichte Spannung doppelt so hoch wie bei herkömmlichen Salzwasserbatterien. Wegen der vielversprechenden Ergebnisse beschlossen die Wissenschaftler, weiter zu forschen. Es werden jedoch vermutlich einige Jahre notwendig sind, bevor die Prototype marktreif sind.

Die Zukunft der Salzwasserbatterie

Die Energiewende sieht in Deutschland die Stilllegung aller Kohlekraftwerke bis 2038 vor, um die Ziele des Pariser Klimaabkommens zu erfüllen. Auch die meisten Industrieländer haben sich verpflichtet, ihren CO2-Ausstoß zu reduzieren und künftig weitgehend auf fossile Brennstoffe zu verzichten. Windkraft- und Solaranlagen zeichnen sich jedoch durch einen schwankenden Ertrag aus, was die Verwendung von Energiespeichern nötig macht.

In den letzten Jahren ist der Preis für Lithium-Ionen-Speicher stark gefallen und liegt bereits unter 100 Dollar pro Kilowattstunde. Viele Experten sind sich darüber einig, dass er in der kommenden Dekade noch tiefer fallen wird. Dennoch wird Lithium als Rohstoff teurer als Natriumsalze bleiben. Gelingt es Forschern und Herstellern, die Energiedichte von Salzwasserbatterien zu erhöhen, können sie sich als günstige und ökologische Energiespeicher durchsetzen.

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