Wiederverwertbare Batterien am Horizont: Ersetzen organischer Elektrolyte durch Wasser

Wasserbatterien & Brandsicherheit

Für Jahre waren Lithium‑Ion‑Batterien die dominierende Batterietechnologie auf dem Markt, sowohl für Elektronik als auch für Elektrofahrzeuge. Das liegt an ihrem außergewöhnlichen Profil hinsichtlich Energiedichte und Gesamtsicherheit. Aber wenn sie versagen, geschieht dies oft spektakulär, mit sehr intensiven Bränden, die schwer zu löschen sind. Das ist ebenfalls ein Problem, wenn die Batterien am Ende ihrer Lebensdauer stehen und recycelt werden müssen.

Ein Worst‑Case‑Szenario ist, wenn ein Batterieversagen eine Kaskade von Bränden in benachbarten Batterien auslöst – ein sehr reales Problem beim Bau von Batteriefeldern mit Lithium‑Ion für groß angelegte netzseitige Systeme. Das Brandrisiko bei Lithiumbatterien stammt hauptsächlich von den brennbaren organischen Elektrolyten, die Anode und Kathode der Batterie verbinden.

Forscher der RMIT in Australien könnten eine Lösung gefunden haben indem sie die Elektrolyte durch Wasser ersetzen. Das Team wird von Prof. Tianyi Ma (links) geleitet, der zusammen mit Dr. Lingfeng Zhu (rechts) an dem Projekt arbeitete.

Quelle: RMIT

Die sogenannten Wasserbatterien, oder wässrigen Metall‑Ion‑Batterien, können kein Feuer entfachen oder explodieren. Sie weisen zudem eine sehr geringe Toxizität für Menschen und Umwelt auf.

Versprechen von Wasserbatterien

Das Design von Wasserbatterien basiert auf einfachen Elementen wie Zink und Magnesium, die reichlich vorhanden und wenig toxisch sind, wodurch die Herstellungskosten gesenkt und die Massenproduktion erleichtert wird.

In der Praxis bedeutet das, dass Wasserbatterien in verschiedenen Formen vorkommen können. Zum Beispiel in Form einer Magnesium‑Ion‑Batterie oder  Ammoniak‑Ion‑Batterie.

Und das Team von Prof. Tianyi arbeitet daran, diese Batterien kommerziell nutzbar zu machen, indem sie die Details lösen, die ihre Einführung bisher behindert haben.

Ein Beispiel ist die Verbesserung einer Mangan‑Elektrode, die Kondensatoren aus Magnesium und Mangan erzeugt und dabei “eine Energiedichte von 128,39 Wh/kg mit ultra‑langer Zyklusfähigkeit, wobei nach 6000 Zyklen 85 % Kapazitätsretention erreicht werden“ erzielt.

Die herausragenden elektrochemischen Eigenschaften und die kritischen Sicherheitsimplikationen eines wässrigen Elektrolyten machen dieses wässrige MIC vielversprechend für großskalige Energiespeicheranwendungen. Darüber hinaus sollte die Strategie des Konzepts der dualen Kation‑Anion‑Defekte wesentliche Einblicke in die Herstellung wiederaufladbarer Metall‑Ion‑Batterien liefern.

Quelle: Energy Storage Material

Lösen von Dendriten

Ein weiteres Problem, das die meisten Batterien betrifft, ist das fortschreitende Wachstum von Dendriten in der Zelle. Dendriten sind spitze Metallstrukturen, die im Laufe der Zeit Kurzschlüsse (und im Fall von Lithium‑Ion Brände) verursachen können. Auch Wasserbatterien sind anfällig für das Dendriten‑Problem.

Durch das Beschichten der Metallteile der Batterie mit Bismut entsteht eine Schutzschicht, die die Bildung von Dendriten verhindert.

Damit sind die neuen Batterien deutlich langlebiger als Lithium‑Ion‑Batterien und eignen sich für intensive Anwendungen wie netzseitige Batteriepacks oder sogar Nutzfahrzeuge. Da sie zudem wesentlich sicherer sind, stellen sie einen guten Kandidaten dar, um das Angebot an alternativen Chemien zu Lithium‑Ion zu erweitern, insbesondere für netzseitige Anwendungen (wie wir in unserem Artikel „The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech“ weiter untersucht haben), einschließlich der Unternehmen, die an einer kommerziellen Umsetzung arbeiten.

“Magnesium‑Ion‑Wasserbatterien haben das Potenzial, Blei‑Säure‑Batterien kurzfristig – etwa ein bis drei Jahre – zu ersetzen und langfristig, in 5 bis 10 Jahren, möglicherweise Lithium‑Ion‑Batterien zu ersetzen.”

Pr Tianyi Ma

Sind Wasserbatterien der richtige Weg nach vorn?

Netzseitige Batterien werden wahrscheinlich radikal anders sein als EV‑Batterien, da die beiden nicht unter denselben Zwängen operieren:

• EV‑Batterien müssen leicht und kompakt, sehr energiedicht und schnell ladbar sein.
• Netzseitige Batterien müssen günstig, sehr langlebig, stabil/sicher sein und auf reichlich vorhandenen Materialien basieren, die in großen Mengen beschafft werden können.

Und selbst im Bereich der netzseitigen Batterien werden voraussichtlich mehrere Chemien den Markt über Jahre, wenn nicht Jahrzehnte, teilen.

Das liegt daran, dass jede ihre eigenen Vorteile und Anwendungsfälle hat, etwa unterschiedliche Zeitrahmen, Speicherung von Energie für den Tag‑Nacht‑Zyklus oder für Wochen.

Und weil in jedem Fall die massenhafte Einführung erneuerbarer Energien eine massenhafte Einführung von Batterien bedeutet, wird die Diversifizierung der Materialien einen Preisschock bei Metallen verhindern, die nicht selten, aber auch nicht in massiver Überversorgung sind, wie:

• Zink (Zink‑Batterien)
• Magnesium (Magnesium‑Ion‑Batterien)
• Mangan (Metall‑Wasserstoff‑Batterien)
• Vanadium (Redox‑Flow‑Batterien)
• Antimon (geschmolzene Metall‑Batterien)
• Schwefel (Natrium‑Schwefel‑Batterien)

Derzeit gibt es keine Unternehmen, die Magnesium‑Ion‑Batterien auf den Markt bringen. Das könnte sich jedoch bald ändern, angesichts der verschiedenen anderen Chemiekombinationen, die auf die Massenproduktion hinarbeiten.