Ein internationales Forscherteam entwickelt eine Wasserbatterie, die Lithium-Ionen-Akkus ersetzen kann. Sie ist nicht entflammbar, kann recycelt und kostengünstig hergestellt werden. Ein entscheidender Durchbruch gelingt bei der Haltbarkeit der wässrigen Metall-Ionen-Batterien.

Wenn die Energiewende gelingen soll, muss Ersatz für Lithium-Ionen-Akkus gefunden werden. Denn sie können unter anderem Feuer fangen, die verwendeten Rohstoffe sind rar und teuer und werden oft unter fragwürdigen Bedingungen gefördert. Außerdem ist die Entsorgung durch die teils hochgiftigen Komponenten problematisch. Eine sichere, günstige und umweltfreundliche Alternative könnten Wasserbatterien sein, an denen ein internationales Forscherteam unter Leitung der australischen RMIT-Universität arbeitet. Ihnen ist auf dem Weg zur Marktreife dieser Akkus ein entscheidender Durchbruch gelungen.

Das Grundprinzip von Batterien ist, dass sich zwischen einer positiven Elektrode (Anode) und einer negativen Elektrode (Kathode) durch einen Elektrolyt Elektronen bewegen. An der Anode findet eine Oxidationsreaktion statt, bei der Elektronen freigesetzt werden, an der Kathode findet eine Reduktionsreaktion statt, bei der Elektronen aufgenommen werden. Fließen die Elektronen von Kathode zu Anode, speichert die Batterie Energie, bei umgekehrter Richtung entlädt sie sich. In Lithium-Ionen-Batterien besteht die Kathode aus Lithium, die Anode üblicherweise aus Grafit.

Ungefährlich und Recycelbar

Für ihre wässrige Metall-Ionen-Batterie ersetzen die Forscher Lithium durch Zink oder Magnesium. Die Rohstoffe kämen in der Natur reichlich vor und seien kostengünstig und weniger giftig als Alternativen, die in anderen Arten von Batterien verwendet würden, zitiert die Pressemitteilung der RMIT-Universität Studienleiter Tianyi Ma. Das senke die Herstellungskosten und mindere Gesundheitsrisiken und Umweltbelastung.

Wichtiger ist zudem, dass Wasser die üblicherweise in Lithium-Ionen-Akkus verwendeten organischen Elektrolyte ersetzt, die aus Lösungsmitteln mit gelösten Lithiumsalzen bestehen. Denn das bedeutet, dass die Akkus im Gegensatz zu ihren Lithium-Ionen-Gegenstücken kein Feuer entfachen oder explodieren können.

Dem Wasser würden zwar Zusätze wie anorganische Salze hinzugefügt, sagte Ma "The Guardian". Trotzdem ist die Entsorgung der Wasserbatterien wesentlich einfacher und umweltfreundlicher als die herkömmlicher Akkus. Am Ende ihrer Lebensdauer "können unsere Batterien sicher zerlegt werden und die Materialien können wiederverwendet oder recycelt werden", erklärt Ma.

Beschichtung verlängert Lebensdauer

Bisher war die in Versuchen erreichte Lebensdauer der Wasserbatterien zu kurz für einen wirtschaftlichen Einsatz. Das lag an sogenannten Dendriten. Dabei handelt es sich um stachelige Metallwucherungen, die sich an der Anode bilden und zu Kurzschlüssen führen können. Doch in ihrer jüngsten Arbeit fanden die Wissenschaftler die Lösung des Problems in einer Ummantelung der Anode mit Bismut (Wismut). Das Metall oxidiert und bildet eine Schutzschicht, die die Ablagerung von Dendriten verhindert.

"Unsere Batterien halten jetzt deutlich länger – vergleichbar mit den kommerziellen Lithium-Ionen-Batterien auf dem Markt", womit sie alltagstauglich seien, sagt Ma. In Experimenten wiesen die Knopfzellen-Prototypen der Wissenschaftler nach 500 Ladezyklen noch eine Kapazität von knapp 87 Prozent auf.

Energiedichte muss noch erhöht werden

Wissen 16.12.23

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Was die Energiedichte betrifft, können Wasserbatterien noch nicht mit Lithium-Ionen-Akkus mithalten. "Wir haben kürzlich eine Magnesium-Ionen-Wasserbatterie hergestellt, die eine Energiedichte von 75 Wattstunden pro Kilogramm hat – bis zu 30 Prozent der Energiedichte der neuesten Tesla-Autobatterien, sagt Ma. "Der nächste Schritt besteht darin, Energiedichte unserer Wasserbatterien durch die Entwicklung neuer Nanomaterialien als Elektrodenmaterialien zu erhöhen."

Wahrscheinlich sei Magnesium das Material der Wahl für künftige Wasserbatterien, sagt der Wissenschaftler. Es sei leichter als die alternativen Metalle, einschließlich Zink und Nickel. Außerdem habe Magnesium "eine größere potenzielle Energiedichte und ermöglicht Batterien mit schnelleren Ladezeiten und einer besseren Fähigkeit, stromhungrige Geräte und Anwendungen zu unterstützen."

Ideal zum Speichern erneuerbarer Energien

Magnesium-Ionen-Batterien hätten das Potenzial, schon in ein bis drei Jahren Blei-Säure-Batterien zu ersetzen, schätzt Ma. In fünf bis zehn Jahren könnten sie möglicherweise auch Lithium-Ionen-Akkus ablösen. Ideal geeignet ist die Technologie für große Batteriespeicher, die benötigt werden, um Wind- und Solarenergie zu speichern. Aktuell werden für die großflächige Netzspeicherung noch oft günstige Blei-Säure-Batterien eingesetzt.

"Mit dem Fortschritt unserer Technologie könnten auch andere Arten kleinerer Energiespeicheranwendungen Realität werden, etwa die Stromversorgung von Privathaushalten und Unterhaltungsgeräten", sagt Ma. Man arbeite dafür eng mit Forschern und Experten renommierter Universitäten und Forschungseinrichtungen in Australien, den USA, Großbritannien, Japan, Singapur, China und anderswo zusammen.

Laut einem Report der australischen Regierung gehörten dazu 2022 auch sieben deutsche Einrichtungen. Doch die Bedeutung der deutschen Batterieforschung droht zu schwinden, da die Bundesregierung die Förderung ab 2025 drastisch zusammengestrichen hat.