Die Batterierevolution

Forscher entwickeln einen Stromspeicher, der mit einer Salzlösung funktioniert. Das Konzept könnte den Batterienmarkt umkrempeln.

Diese Batterien für Elektrofahrzeuge werden in einer Fabrik in China hergestellt.

Diese Batterien für Elektrofahrzeuge werden in einer Fabrik in China hergestellt. Bild: Bobby Yip/Reuters

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Vor dem Eintritt ins Labor warnt Ruben-Simon Kühnel: «Noch sieht das nicht wie eine handelsübliche Batterie aus.» Der Forscher am Materialforschungsinstitut Empa in Dübendorf zeigt ein dreiarmiges, kurzes Stahlrohr. In dieser Testzelle spielt sich das Gleiche ab wie in einem kommerziellen Akku – eine chemische Reaktion, bei der elektrischer Strom fliesst. Auch wenn das wie eine Bastelei aussieht, was darin steckt, könnte bald den Batteriemarkt revolutionieren. Denn die Flüssigkeit in dieser Batterie, die den Stromfluss zwischen dem Minus- und dem Pluspol erst möglich macht, ist eine spezielle hoch konzentrierte Salzlösung. Die Fachleute sprechen von Elektrolyt, in dem elektrisch geladene Atome, die Ionen, transportiert werden. Das neue Salzwasserkonzept könnte laut den Forschern den Lithium-Ionen-Batterien Konkurrenz machen.

Nachdem der japanische Elektronikkonzern Sony vor knapp dreissig Jahren die Lithium-Ionen-Batterie auf den Markt brachte, ist diese inzwischen omnipräsent: in Handys, Notebooks, Kameras und Elektroautos. Die Stärke des Akkus ist die hohe Energiedichte. Das heisst, die Batterie liefert mehr Strom pro Volumen und Gewicht als Speicher der älteren Generation wie etwa die bekannten Blei-Akkus, die immer noch im grossen Massstab als Starterbatterien in Autos zum Einsatz kommen.

Für den Solarstrom zu Hause

Allerdings hat das Lithium-Ionen-Konzept auch Schwachpunkte: Im Gegensatz zum neuen Empa-Ansatz basiert der Elektrolyt auf brennbaren Lösungsmitteln. Zudem enthalten die Batterien Elektroden aus Kobalt und Grafit. Beide Materialien gelten nach der neusten Ressourcenrangliste der EU als kritische Rohstoffe. Bereits heute werden in der EU gut 40 Prozent des Kobalts für die Herstellung von Batterien verwendet. Kritisch bedeutet, dass die Rohstoffe eine strategisch wichtige Rolle für die Wirtschaft spielen. Gleichzeitig wird aber die Versorgungssicherheit mit diesen Rohstoffen als ungenügend eingestuft, weil die Vorkommen begrenzt sind oder sich der Abbau auf wenige Länder konzentriert, darunter auch solche, die politisch instabil sind.

Mit dem wachsenden Markt für Elektroautos und der rasch steigenden Verbreitung von Fotovoltaikanlagen wird auch die Nachfrage nach Batterien massiv steigen. Sei es mobil in den Elektro- und Hybridfahrzeugen oder stationär, um die Stromschwankungen im Netz auszugleichen. Wer zudem zu Hause auf Solarstrom setzt, wird eine Batterie für den Eigengebrauch installieren. «Bei dieser stark wachsenden Nachfrage besteht die Gefahr von Rohstoffknappheit und demzufolge steigenden Preisen, wenn weiterhin überwiegend auf die ­aktuelle Lithium-Ionen-Technologie ­gesetzt wird», sagt Ruben-Simon Kühnel. Zumal auch Lithium mit der ­steigenden Nachfrage nach Batterien zu einem knappen Gut werden könnte.

Mit dem wachsenden Markt für Elektroautos wird auch die Nachfrage nach Batterien massiv steigen.

Die neue Natrium-Salzwasser-Batterie der Empa wäre eine Alternative. Natriumsalze sind im Gegensatz zu Lithium nahezu unbegrenzt verfügbar. Und als Elektrodenmaterialien sind in Zukunft Eisen- und Manganverbindungen vorgesehen. Alles Materialien, die in der Natur genügend vorhanden sind. Die Testbatterien enthalten allerdings derzeit noch Vanadium, das von der EU ebenfalls als kritischer Rohstoff eingestuft wird.

Vorläufig sehen die Empa-Forscher die Salzwasserbatterie nur als stationären Speicher, bei dem die Kosten und nicht so sehr das Gewicht und das Volumen im Vordergrund stehen. Das wäre mit Wasser als Elektrolyt gewährleistet, zudem brennt er nicht und ermöglicht eine hohe Ionenleitfähigkeit. Aber die Ladungsdichte des Salzwasserkonzepts ist im Vergleich zur Lithium-Ionen-Variante rund dreimal tiefer. Der Grund: Wasser zersetzt sich ab einer elektrischen Spannung von 1,23 Volt in Wasserstoff und Sauerstoff. Lithium-Ionen-Akkus funktionieren bei einer Spannung von 3,7 Volt. Deshalb eignet sich die Salzwasserbatterie nicht für Elektroautos, wo Akkus gefragt sind, die eine hohe Energiedichte aufweisen, um Platz und Gewicht im Auto zu sparen.

Sichere Alternative

Nun ist es den Forschern der Abteilung Materials for Energy Conversion gelungen, die Spannung einer Salzwasserzelle zu verdoppeln. Der Trick: Die Wissenschaftler fanden ein spezielles Natriumsalz, das in Wasser eine sehr hohe Löslichkeit aufweist. Chemisch bedeutet das: Die relativ wenigen Wassermoleküle in dieser Lösung sind stark an die Natrium-Ionen gebunden, weshalb es mehr elektrische Spannung braucht, um das Wasser zu zersetzen. «Ziel ist es, die Spannung weiter zu erhöhen, um in Bezug auf die Energiedichte zur Lithium-Ionen-Batterie aufzuschliessen», sagt Abteilungsleiter Corsin Battaglia.

Gelingt dies, dann wäre die Salzwasserbatterie eine Alternative, die sicherer wäre als der Lithium-Ionen-Akku und potenziell kostengünstiger. So weit sind die Wissenschaftler allerdings noch nicht. Wann die Salzwassertechnologie für die wirtschaftliche Nutzung bereit sein wird, darauf möchten sich die Empa-Forscher noch nicht festlegen. In den nächsten Jahren erwarten sie aber grosse Fortschritte, weil weltweit noch andere Gruppen ebenfalls an diesem Thema forschen.

Batterieforschung verstärken

Die Nachfrage jedenfalls wird gross sein. Für die Energiewende in Europa spielen Batteriesysteme eine zentrale Rolle, um den schwankenden Wind- und Solarstrom im Stromnetz auszubalancieren. Letzte Woche hat die Europäische Kommission Vertreter aus Forschung und ­Industrie zu einer Tagung nach Brüssel eingeladen, an der auch Empa-Wissenschaftler beteiligt waren. Das Ziel ist, die Batterieforschung und -fertigung auf europäischer Ebene zu beschleunigen und zu koordinieren.

In der Schweiz wird die Erforschung von Energiespeichern durch das vom Bund initiierte Schweizerische Kompetenzzentrum für Wärme- und Stromspeicher koordiniert. Batterien sind denn auch in der Schweiz in lokalen Stromnetzen bereits ein grosses Thema, da sich der Zubau an Fotovoltaik rasant erhöht. Das Elektrizitätswerk der Stadt Zürich (EWZ) zum Beispiel hat seit gut zwei Jahren eine Lithium-Ionen-Grossbatterie in Betrieb. Dank dieser konnte laut EWZ die Spannung im lokalen Netz stabil gehalten und auf einen lokalen Netzausbau verzichtet werden.

Erstellt: 17.01.2018, 09:28 Uhr

Batterie-Alternativen

Salz- und Schwarmspeicher

Salzbatterien

Für die stationäre Stromspeicherung könnten sich neben Lithium-Ionen- derzeit auch Salzbatterien eignen, die auf Kochsalz und Nickelpulver basieren. Dieser Batterietyp kommt ganz ohne ein Elektrolyt-Lösungsmittel aus, funktioniert aber deshalb erst bei einer Betriebstemperatur um 300 Grad. Bei dieser Temperatur liegen die Elektroden geschmolzen vor. Schweizer Forscher, darunter auch Wissenschaftler der Empa, sind daran, dieses System weiterzuentwickeln. Die Vorteile dieses Typs gegenüber dem Lithium-Ionen-System: Die Rohstoffe sind gut verfügbar, und es besteht bereits ein Rezyklierungskonzept. Die Tessiner Firma FZSONICK gehört weltweit zu den führenden Produzenten dieser Art von Batterien, die sich für die Notstromversorgung im Telecommarkt bereits bestens bewährt haben.

Redox-Flow-Batterien

Dabei werden vorzugsweise verschiedene Vanadium-Salze, die in Wasser gelöst sind, eingesetzt. Über eine Membran wird Ladung ausgetauscht, dabei fliesst elektrischer Strom. Redox-Flow-Batterien werden in der Schweiz am Paul-Scherrer-Institut und an der ETH Lausanne untersucht. Solche Batterien können bei Bedarf helfen, die Stromversorgung über Stunden oder Tage im Gleichgewicht zu halten. Speziell für ganz grosse Anwendungen sind Redox-Flow-Batterien potenziell billiger als der Lithium-Ionen-Typ, sind aber intensiver im Unterhalt.

Schwarmspeicher

Kleine Batterien in Eigenheimen können virtuell zu Grossbatterien verbunden werden. Diese Dienstleistung bieten bereits verschiedene Unternehmen auch in der Schweiz an. Die Leistung solcher Schwarmspeicher ist gross genug, um Regelstrom für die Stabilität des Stromnetzes anzubieten. Vom Schwarmspeicher profitieren Eigentümer mit kleinen Solaranlagen; Investitionen in Batterien werden so attraktiv. (lae)

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