Empa-Forscher kommen der Wasser-Natrium-Batterie näher

Praktisch alle heutigen kommerziellen Batterien, ob in Elektroautos, Handys oder Tablets, sind Lithium-Ionen-Akkus. Die weltweiten Vorräte an leicht abbaubarem Lithium sind aber begrenzt; andere Materialbestandteile dieser Batterie werden bereits jetzt knapp. Zudem enthalten die Lithium-Ionen-Batterien brennbares Lösungsmittel und gehen deswegen ab und zu in Flammen auf – wie kürzlich im Apple-Shop in Zürich.

Dieser Typ Batterie führt immer wieder zu Rückrufaktionen, wie der des Samsung Galaxy Note 7 oder 2006 dem Rückruf von acht Millionen Sony-Laptop-Akkus. Die Batterie verzögerte zudem 2012 den Produktionsstart des Chevrolet Volt und des Opel Ampera, wie die Empa in EmpaQuarterly schreibt.

Ein Batterietyp, der statt Lösungsmittel einfach Wasser als ionenleitende Flüssigkeit verwendet, wäre daher eine elegante Batterievariante. Als Ionen kann man dann Natrium statt Lithium einsetzen. Natrium ist leicht verfügbar, aus Meersalz und Salzminen. Alle anderen Grundstoffe für diese Batterie sind ebenfalls in grossen Mengen verfügbar.

Bei diesem Typ Batterie, der sich noch im Entwicklungsstadium befindet, tut sich allerdings ein neues Problem auf: Wasser hält nur Spannungsdifferenzen von maximal 1,23 Volt aus, bei höheren Spannungen zersetzt es sich. Eine handelsübliche Lithium-Ionen-Batteriezelle liefert rund 3,7 Volt - also dreimal mehr.

Ruben-Simon Kühnel und David Reber von der EMPA konnten dieses Problem aber 2017 umgehen. Sie benutzten für die Batterie statt Wasser eine extrem konzentrierte Lösung einer speziellen Natriumverbindung, nämlich Natrium-bis(flurosulfonyl)imid, kurz NaFSI. Von dieser Substanz lassen sich in einem Liter Wasser mehr als sieben Kilogramm auflösen.

Die dickflüssige Lösung hält Spannungsdifferenzen von bis zu 2,6 Volt aus. Damit, so meinen die Forscher, liesse sich eine Batterie auf Wasserbasis bauen. Und sie haben es ausprobiert: Versuche mit Natrium-Titan- und Natrium-Vanadium-Elektroden zeigten vielversprechende Ergebnisse - Batteriebauteile der "Wasserbatterie" überstanden im Labor bereits erfolgreich eine Reihe von Lade- und Entladezyklen.