120.000 Ladezyklen: Diese „Wasser-Batterie“ braucht kein Lithium
Forscher aus Hong Kong haben eine Wasserbatterie aus Tofu-Zutaten entwickelt. Sie soll über 300 Jahre halten und ohne Lithium oder giftige Stoffe auskommen.
Wasserbasierte Batterien mit ungiftigem Elektrolyt könnten künftig als stationäre Speicher für Wind- und Solarstrom dienen.
Foto: Smarterpix/malpetr
Ein Handy-Akku hält etwa 800 Ladezyklen, bevor seine Leistung spürbar nachlässt. Ein E-Auto-Akku schafft 1500 bis 3000 Zyklen. Und dann gibt es da eine neue Batterie aus Hongkong, die im Labor über 120.000 Zyklen durchgehalten hat und deren Elektrolyt aus Zutaten besteht, die auch bei der Tofu-Herstellung zum Einsatz kommen.
Das klingt verrückt, doch Forscher der City University of Hong Kong und der Southern University of Science and Technology haben kürzlich eine solche wasserbasierte Batterie entwickelt, die ohne Lithium, Kobalt oder giftige Säuren auskommen soll.
Inhaltsverzeichnis
Was steckt hinter der „Tofu-Batterie“?
Wasserbasierte Batterien sind keine neue Erfindung. Als Konzept existieren sie seit über 200 Jahren. Bisher scheiterte der kommerzielle Durchbruch jedoch an der geringen Energiedichte und daran, dass Wasser sich bei bestimmten Spannungen zersetzt. Die Hongkonger Forscher gehen das Problem nun von einer ungewöhnlichen Seite an: mit Zutaten aus der Lebensmittelindustrie.
Bei der traditionellen Tofu-Herstellung werden Magnesiumchlorid und Calciumchlorid als Gerinnungsmittel eingesetzt. Sie bringen die Sojamilch zum Stocken. Die Forscher nutzen diese in Wasser gelösten Salze als Grundlage für den Elektrolyten ihrer Batterie. Mit einem pH-Wert von 7,0 ist der etwa so aggressiv wie Leitungswasser, also weder ätzend noch brennbar. Und weil Magnesium und Calcium natürlich im Boden vorkommen, könnte die Batterie am Ende ihrer Lebensdauer ohne aufwendige Sondermüllbehandlung entsorgt werden. Laut den Forschern erfüllt die Vollzelle zudem die Anforderungen internationaler Entsorgungsstandards, darunter die chinesische Norm GB 18599-2020, ISO 14001 und der US-amerikanische Resource Conservation and Recovery Act (RCRA).
In herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus kommen organische Lösungsmittel zum Einsatz, die leicht entflammbar sind. Bei Beschädigung oder Überhitzung kann ein sogenanntes thermisches Durchgehen eintreten, eine Kettenreaktion, die zu Bränden oder Explosionen führt. In den vergangenen Jahren hat dieses Risiko in Form von Elektroauto- oder E-Bike-Akku-Bränden immer wieder für Schlagzeilen gesorgt.
Warum hält die Batterie so lange?
Bislang hatten Wasserbatterien meist saure oder alkalische Elektrolyte. Das greift die internen Bauteile an, und sogenannte Nebenreaktionen – vor allem die Wasserstoffentwicklung (HER) – zersetzen das Wasser und verkürzen die Lebensdauer: Je saurer der Elektrolyt, desto mehr Protonen beteiligen sich am Ladevorgang – und desto schneller geht die Batterie kaputt. Bei einem pH-Wert von 2,5 trugen Protonen laut der Studie 41,58 % zur Kapazität bei, bei pH 7,0 dagegen nur 0,51 %.
Die Hongkonger Forscher umgehen dieses Problem mit einer Kombination aus drei Faktoren.
- Der neutrale Elektrolyt mit pH 7,0, der kaum Protonen enthält und damit die zerstörerischen Nebenreaktionen weitgehend unterdrückt.
- Organische Elektroden statt metallischer Komponenten. Die Kathode besteht aus einem sogenannten Preußisch-Blau-Analogon – einem Material, das seit Jahrhunderten als blaues Farbpigment in der Malerei bekannt ist. Die Anode besteht aus einem kovalenten organischen Polymer, dessen elektronenspendende Bindungen eine besonders schnelle Ionendiffusion ermöglichen.
- Die Kombination aus beidem vermeidet die zwei Hauptausfallmechanismen: Korrosion durch den Elektrolyt und Degradation der Elektroden. Vereinfacht gesagt: Die Batterie hält so lange, weil der neutrale Tofu-Elektrolyt die Bauteile schlicht nicht angreift – und kaum Protonen im Spiel sind, die Nebenreaktionen auslösen könnten.
Was bedeuten 120.000 Ladezyklen in der Praxis?
Würde man die Batterie einmal täglich laden und entladen, hielte sie rechnerisch rund 328 Jahre. Doch ein Blick in die in Nature Communications veröffentliche Studie zeigt, dass die Sache komplizierter ist. Zunächst fällt auf, dass die Laborknopfzelle nach 120.000 Ladezyklen noch 72,67 % ihrer ursprünglichen Kapazität aufwies. Das ist beeindruckend, aber eben kein „minimaler Leistungsverlust“, wie manche Berichte über die Tofu-Batterie suggerieren. Rund ein Viertel der Speicherkapazität ging über die Laufzeit verloren.
Noch wichtiger: Als die Forscher größere, praxisnähere Pouch-Zellen (2 × 3 cm) mit weniger Elektrolyt und höherer Materialbeladung unter realen Bedingungen testeten, schafften diese rund 3000 stabile Zyklen. Das ist ein gewaltiger Unterschied zur Laborknopfzelle, aber im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus immer noch ein sehr guter Wert.
Die Vollzelle erreichte übrigens eine spezifische Energie von 48,3 Wh/kg, berechnet auf Basis der Gesamtmasse aus Elektroden und Elektrolyt. Zum Vergleich: Lithium-Ionen-Akkus liegen typischerweise bei 150 bis 250 Wh/kg. Für Smartphones oder Elektroautos ist die Tofu-Batterie damit keine Alternative.
Kein Ersatz fürs Handy – aber vielleicht für das Stromnetz
Die Energiewende braucht dringend günstige, langlebige Speicher, die überschüssigen Wind- und Solarstrom aufnehmen und bei Bedarf wieder abgeben können. Bislang dominieren Lithium-Ionen-Systeme diesen Markt, doch sie sind teuer, abhängig von kritischen Rohstoffen und nach einigen tausend Zyklen erschöpft.
Selbst moderne Lithium-Eisenphosphat-Batterien (LFP), die als besonders langlebig gelten, schaffen meist nur 6000 bis 10.000 Zyklen. Für stationäre Speicher, Notstromsysteme in Rechenzentren oder die ländliche Elektrifizierung könnte die Tofu-Batterie daher interessant werden.
Zugegeben: Neue Batterieprototypen wie die Zitteraal-Batterie kommen fast täglich aus dem Labor, und bei allen ist der Weg zur Marktreife noch lang. Aber das Grundprinzip ist in diesem Fall bestechend einfach: ein neutraler, ungiftiger Elektrolyt, der die Bauteile nicht angreift und Nebenreaktionen unterdrückt. Manchmal sind es die simpelsten Lösungen, die sich am Ende durchsetzen.
Die vollständige Studie ist am 18. Februar in Nature Communications erschienen.
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