Wasserbasierte Batterie übersteht 120.000 Ladezyklen in neutraler Salzlösung

Eine wasserbasierte Batterie hat 120.000 Ladezyklen in einer neutralen Salzlösung überstanden, die der Salzlake bei der Tofuherstellung ähnelt.

Diese Beständigkeit verändert die Vorstellung davon, wie lange ein Akku funktionieren kann und wie sicher er sich nach jahrzehntelangem Einsatz entsorgen lassen könnte.

Vorteil der neutralen Chemie

Bei wiederholten Laborzyklen lud und entlud sich der Prototyp weiterhin in gewöhnlichem Wasser, ohne den korrosiven Zerfall, der viele herkömmliche Batteriezellen begrenzt.

Dr. Chunyi Zhi von der City University of Hong Kong (CityUHK) führte die Rekordlebensdauer der Wasserbatterie direkt auf ihre neutrale, nicht korrosive Chemie zurück.

Selbst nach unablässigem Zyklieren bewahrten die Elektroden ihre Struktur und Leistungsfähigkeit, statt unter chemischer Belastung abzubauen.

Diese Haltbarkeit untermauert die zentrale Aussage der Arbeit, lässt aber offen, wie das neutrale System zugleich Stabilität und nutzbare Leistung erreicht.

Mineralien aus Tofu

Bei der Tofuherstellung enthält die Lake mineralische Gerinnungsmittel wie Magnesiumchlorid und Calciumsulfat, die Sojamilch zu Quark gerinnen lassen.

In diesem Fall dienten diese Salze als Elektrolyt, also als Flüssigkeit, die elektrische Ladung zwischen den Elektroden transportiert.

Ein Wert von 7.0 auf der Säureskala hielt die Mischung neutral, wodurch die Flüssigkeit nicht korrosiv blieb.

Diese schonende Chemie verringerte den inneren Verschleiß, verlangte vom Team jedoch auch ein Umdenken bei der negativen Elektrode.

Neues Design der negativen Elektrode

Statt einer negativen Metallelektrode entwickelte das Team eine Elektrode aus einem kovalenten organischen Polymer, einem Kohlenstoffnetzwerk aus miteinander verbundenen Molekülen.

Die porösen Kanäle dieses Materials boten Ionen Platz, sodass die Elektrode Ladung speichern konnte, ohne Metallablagerungen zu bilden.

Nach dem Vergleich von drei Varianten entschied sich das Team für ein Material namens Hex TADD, ein kovalentes organisches Polymer aus verknüpften kohlenstoffbasierten Einheiten. Der Stoff besitzt elektronenabgebende Bindungen, durch die sich Elektronen leichter durch die Struktur bewegen können.

Doch auch ein robustes negatives Polymer benötigt eine passende positive Elektrode, die Ionen austauschen kann, ohne ihre Struktur einzubüßen.

Partner aus Preußischblau

Auf der positiven Seite setzte die Zelle auf ein Preußischblau-Analogon, einen Kristall, der Ionen aufnehmen und wieder abgeben kann.

Sein offenes Gerüst speicherte Ladung, indem sich der Metallzustand im Gitter veränderte; beim Wiederaufladen kehrte sich diese Veränderung um.

Das Material ist als blaues Pigment in Farben bekannt und blieb in Wasser stabil, während es wiederholt Ionen austauschte.

Mit dieser positiven Elektrode erreichte die vollständige Zelle einen Spannungsbereich von 2.2 Volt, doch Wasser begrenzt weiterhin die erreichbare Spannung.

Prüfung der Lebensdauer der Wasserbatterie

In Belastungstests blieb die Wasserbatterie über 120.000 Ladezyklen stabil – weit länger, als viele Laborzellen erreichen.

Bei jedem Zyklus mussten Ionen in die Elektroden ein- und aus ihnen austreten, sodass schwache Bindungen frühzeitig gebrochen wären. Würde ein auf diese Weise gebauter Akku in Smartphone-Größe einmal täglich geladen, könnte er theoretisch mehr als 300 Jahre halten.

Eine derartige Ausdauer ist besonders dort wichtig, wo sich Batterien nur schwer austauschen lassen, etwa bei abgelegenen Sensoren oder Speicherschränken im Stromnetz.

Energiekapazität der Batterie

Neben ihrer langen Lebensdauer speicherte das Gerät etwa 3,200 Milliamperestunden pro Unze Aktivmaterial, entsprechend 112.8 Milliamperestunden pro Gramm.

Diese Ladung entstand, indem Ionen in die Polymerstruktur wanderten und bei umgekehrter Stromrichtung wieder zurückkehrten.

Auf Ebene der vollständigen Zelle erreichte die spezifische Energie – die je Gewichtseinheit gespeicherte Energie – nahezu 22 Wattstunden pro Pfund (48.3 pro Kilogramm).

Wasserbasierte Batterien liegen bei der kompakten Energiedichte jedoch meist hinter Lithium-Akkus zurück, was ihren Einsatz auf größere und schwerere Anlagen beschränkt.

Entsorgung von Batteriemüll

Die Sicherheitsargumente beruhen auf einer Chemie, die weder stark sauer noch stark alkalisch ist; austretende Flüssigkeit ähnelt daher schlicht Salzwasser.

Nach Auffassung der EPA gelten viele ausgediente Lithium-Ionen-Akkus als Sondermüll, weil sie sich entzünden können.

„Im Vergleich zu heutigen wässrigen Batteriesystemen bietet das neue System unter neutralen Bedingungen eine außergewöhnliche Langzeit-Zyklusstabilität und Umweltverträglichkeit“, schrieb Zhi.

Die Arbeit stufte die Zelle nach mehreren Standards als ungiftig und entsorgbar ein, darunter dem Resource Conservation and Recovery Act, einem US-Gesetz über gefährliche Abfälle.

Skalierung der Wasserbatterie

Um aus einer Laborzelle eine kommerzielle Batterie zu machen, muss mehr Energie auf kleinerem Raum gespeichert werden, ohne die Sicherheit zu beeinträchtigen.

Dickere Elektroden und eine dichtere Verpackung steigern meist die Energie, verlangsamen jedoch zugleich die Ionenbewegung und halten Wärme zurück.

Für die Produktion der negativen Polymerelektrode im größeren Maßstab sind gleichbleibende Porenstrukturen erforderlich, da die Leistung sonst von Charge zu Charge schwankt.

Diese Schritte zur Skalierung werden entscheiden, ob der Ansatz mit neutralem Salz eine Nischenlösung bleibt oder in die alltägliche Energiespeicherung gelangt.

Praktische Einsatzmöglichkeiten für Wasserbatterien

Bei vielen Anwendungen versagen Batterien, weil ihre Flüssigkeiten die Elektroden langsam angreifen – nicht weil die erste Ladung zu schwach ist.

Durch den Einsatz neutraler Salze und organischer Elektroden wurden diese Nebenreaktionen reduziert, sodass die Zelle von CityUHK auch nach unablässigem Zyklieren weiterfunktionierte.

Eine längere Lebensdauer könnte Wartungskosten und Abfälle senken, besonders bei Infrastruktur, die über Jahrzehnte am selben Ort verbleibt.

Praxistaugliche Akkupakete benötigen weiterhin Dichtungen, Stromkollektoren und Steuerungen; die neutrale Flüssigkeit ist daher nur ein Teil der Lösung.

Zukunft neutraler Salzbatterien

Neutrales Salzwasser, eine organische negative Elektrode und ein positives Material aus Preußischblau verbinden sich in dieser wasserbasierten Batterie zu einem System, bei dem Haltbarkeit die entscheidende Eigenschaft ist.

Falls Ingenieure mehr Energie unterbringen und die Polymere zuverlässig herstellen können, könnte diese Chemie die Abfalllast verringern, die Batterien üblicherweise hinterlassen.