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Ruben-Simon Kühnel schließt eine Test-Zelle ans Ladegerät an © Empa
Ruben-Simon Kühnel schließt eine Test-Zelle ans Ladegerät an © Empa

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Forscher verbesserten Batterie auf Wasserbasis

09.01.2018

Wasser könnte künftig die Basis für besonders preisgünstige aufladbare Batterien bilden. Forschern der Schweizer Forschungsanstalt Empa ist es mit einer speziellen Salzlösung gelungen, die elektrochemische Stabilität von Wasser zu verdoppeln.

Die Vorteile einer wasserbasierten Batterie sind deutlich: Wasser ist preisgünstig, überall verfügbar, brennt nicht und kann Ionen leiten. Allerdings hat Wasser auch einen entscheidenden Nachteil. Denn es ist nur bis zu einer Spannungsdifferenz von 1,23 Volt chemisch stabil. Eine Wasser-Zelle liefert also dreimal weniger Spannung als eine handelsübliche Lithium-Ionen-Zelle mit 3,7 Volt.

Für Anwendungen in Elektroautos würde sich eine Wasser-Batterie also nicht eignen. Hingegen könnte sie für stationäre Stromspeicheranwendungen interessant werden, denn Empa-Wissenschafter haben einen Weg gefunden, wie das Problem zu lösen sein könnte.

Wie es in einer Aussendung hieß, muss der salzhaltige Elektrolyt in der Batterie zwar flüssig sein, aber zugleich so hoch konzentriert, dass darin kein überschüssiges Wasser enthalten ist. Für ihre Versuche benutzen die Empa-Forscher Ruben-Simon Kühnel und David Reber das Spezialsalz Natrium-FSI (Natrium-bis(fluorosulfonyl)imid).

Kaum ungebundene Wassermoleküle

Dieses Salz ist extrem gut wasserlöslich, nur 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 mehr ungebundene Wassermoleküle vorhanden.

Die Forscher fanden heraus, dass diese Salzlösung eine elektrochemische Stabilität von bis zu 2,6 Volt aufweist - knapp doppelt so viel wie andere wässrige Elektrolyten. "Die Entdeckung könnte der Schlüssel sein zu preisgünstigen und sicheren Batteriezellen", schrieben sie. Preisgünstig auch deshalb, weil sich die Natrium-FSI-Zellen ungefährlicher und damit einfacher bauen ließen als die bekannten Lithium-Ionen-Akkus.

Eine Reihe von Lade- und Entladezyklen hat das System im Labor bereits erfolgreich überstanden, wie Kühnel und Reber im Fachblatt "ACS Energy Letters" berichten. Allerdings testeten die beiden Forscher die Anoden und Kathoden ihrer Versuchsbatterie noch getrennt gegen eine Standardelektrode als Partner. In einem nächsten Schritt sollen nun die beiden Halbzellen zu einer einzigen Batterie vereinigt werden.

Service: Video: https://www.youtube.com/watch?v=jbQeZcgDsAs

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