Salzwasser-Batterien

Salzwasser-Batterien, auch Natrium-Ionen-Batterien genannt, sind eine wiederaufladbare Batterietechnologie, die als umweltfreundliche und kostengünstige Alternative zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien gilt.

Natrium-Ionen-Batterien basieren auf ähnlichen Wirkmechanismen wie Lithium-Ionen-Batterien, weisen jedoch aufgrund der Unterschiede zwischen Natrium- und Lithium-Ionen spezifische Funktionseigenschaften auf. Ein wesentlicher Unterschied ergibt sich aus der unterschiedlichen Größe der Ionen: Natrium-Ionen haben mit 113 pm einen größeren Ionenradius im Vergleich zu Lithium-Ionen mit 73 pm, was ihre Bewegung in vergleichbaren Wirtsgittern erschwert.

Der Vorteil von Natrium-Ionen-Batterien liegt in der hohen Verfügbarkeit und den niedrigen Kosten von Natrium sowie der potenziellen Nutzung umweltfreundlicherer und kostengünstigerer wässriger Elektrolyte. Dies macht sie besonders interessant für Anwendungen als kostengünstige, stationäre Energiespeicher, weshalb sie auch als "Salzwasserbatterien" bekannt sind.

Die "Salzwasser-Batterie", auch als Aqueous Hybrid Ion (AHI) Batterie bekannt, nutzt verschiedene Materialien für ihre Komponenten: eine Kathode aus Lithium-Manganoxid, eine Anode aus aktiviertem Kohlenstoff, einen Separator aus Baumwollvlies und einen Elektrolyten auf Natriumsulfatbasis in Salzwasser.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus, bei denen ausschließlich Lithium-Ionen den Ladungstransport zwischen den Elektroden übernehmen, fungiert die Salzwasser-Batterie als ein "poly-ionisches" System. Das bedeutet, dass sowohl Lithium- als auch Natrium-Ionen zur Ladungsübertragung beitragen. Zusätzlich entstehen bei bestimmten Ladezuständen Wasserstoff-Protonen, die ebenfalls Ladung transportieren.

Die positive Elektrode, bestehend aus Lithium-Mangan-Oxid (LMO), kann sich zwar bei hohen Temperaturen zersetzen und dabei Wärme und Sauerstoff freisetzen, jedoch gilt die Salzwasser-Batterie als besonders sicher. Dies liegt daran, dass das wässrige Elektrolyt weder brennbar noch explosiv ist. Darüber hinaus erfordert die Salzwasser-Batterie keinerlei Wartung, was ihre Handhabung besonders praktisch macht.

Zusammenfassung:

Salzwasser-Batterien funktionieren nach dem gleichen physikalischen Prinzip wie Lithium-Ionen-Batterien.

• Während des Ladevorgangs: fließen Elektronen vom negativen Pol (Anode) zum positiven Pol (Kathode) durch einen Elektrolyten.
• Beim Entladen: kehren die Elektronen ihren Weg zurück und liefern dabei Energie.

Der Unterschied zu Lithium-Ionen-Batterien liegt in der Art des Elektrolyten:

• Lithium-Ionen-Batterien: verwenden einen organischen Elektrolyten, der oft brennbare Lösungsmittel enthält.
• Salzwasser-Batterien: hingegen nutzen eine wässrige Salzlösung, meist auf Basis von Natriumchlorid (Kochsalz), als Elektrolyten.

Vor- und Nachteile von Salzwasser-Batterien

Vorteile:

1. Umweltfreundlichkeit: Die verwendeten Materialien sind nicht giftig und leicht recycelbar. Die Produktion und Entsorgung ist im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien weniger umweltschädlich.
2. Sicherheit: Das Risiko von Bränden oder Explosionen ist deutlich geringer als bei Lithium-Ionen-Batterien, da der Elektrolyt nicht brennbar ist.
3. Kostengünstig: Die Herstellung von Salzwasserbatterien ist weniger aufwendig und erfordert weniger teure Materialien als Lithium-Ionen-Batterien.
4. Lange Lebensdauer: Salzwasser-Batterien können bis zu 5.000 Ladezyklen erreichen und somit höher als bei Blei-Säure-Batterien.
5. Schnelle Ladezeiten: Sie können im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien relativ schnell geladen werden.
6. Entladetiefe: bis zu 100 Prozent.

Nachteile:

1. Geringere Energiedichte: Salzwasser-Batterien speichern weniger Energie pro Gewicht und Volumen als Lithium-Ionen-Batterien.
2. Geringere Spannungslage: Die Nennspannung einer Salzwasser-Batterie liegt bei etwa 2,6 Volt, während Lithium-Ionen-Batterien 3,7 Volt erreichen.
3. Begrenzte Verfügbarkeit: Salzwasserbatterien sind noch nicht so weit verbreitet wie Lithium-Ionen-Batterien und daher schwieriger zu beschaffen.
4. Forschungsbedarf: Die Technologie befindet sich noch in der Entwicklung und es gibt noch Optimierungspotenzial, z.B. hinsichtlich der Energiedichte und der Lebensdauer.

Anwendungsgebiete:

Salzwasserbatterien eignen sich besonders für stationäre Energiespeicher. Sie werden z.B. eingesetzt für:

• Speicherung von Solar- und Windenergie
• Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV)
• Sicherung von Stromnetzen
• Backup-Stromversorgung für Rechenzentren

Zukunftspotenzial:

Salzwasserbatterien haben das Potenzial, einen wichtigen Beitrag zur Energiewende zu leisten. Durch die Weiterentwicklung der Technologie könnten sie kostengünstige und nachhaltige Lösungen für die Speicherung von erneuerbaren Energien bieten.