Statt Lithium-Ionen-Akkus 02.02.2022, 07:00 Uhr

Meerwasser-Batterie schafft ungeahnte Leistung

Meerwasser-Batterien haben ein großes Potenzial, aber bisher stimmte das Verhältnis von Herstellungskosten und Leistung nicht. In Korea sind Forschende jetzt einen großen Schritt vorangekommen. Sie haben ein neues Anoden-Material mit vielversprechender Leistung vorgestellt.

Meerwasser

Meerwasser enthält Natrium, das ein großes Potenzial als Kathode hat.

Foto: panthermedia.net/maxpro (YAYMicro)

Lithium-Ionen-Akkus sind mit vielen Problemen behaftet. Auf der einen Seite besteht das Risiko, dass sie bei einer Störung Feuer fangen. Auf der anderen Seite sind Materialien wie Lithium und Kobalt begehrt und werden zum Teil ohne Rücksicht auf Mensch und Umwelt abgebaut. Als nachhaltig gelten sie daher nicht. Das ist bei Natrium anders. Schließlich kommt es in Salzwasser vor, und das ist auf dem Planeten Erde bekanntlich in großen Mengen vorhanden. Diese Natrium-Quelle hat Meerwasser-Batterien auch ihren Namen gegeben. Geläufig ist er aber fast nur Expertinnen und Experten. Denn die Kommerzialisierung dieses Batterie-Konzeptes ist bislang noch an der unzureichenden Leistung gescheitert. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von der Korea Maritime & Ocean University glauben, dass sie einen Weg gefunden haben, das zu ändern.

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Das Problem bei Meerwasser-Batterien ist die Anode

Meerwasser-Batterien, auch Salzwasser-Batterien genannt, funktionieren im Wesentlichen wie Lithium-Ionen-Akkus. Das Lithium wird allerdings ausgetauscht durch Natrium. Das ist günstig und reichlich vorhanden und damit ein hervorragendes Kathodenmaterial. Meerwasser-Batterien sind also umweltfreundlich und sicher. Bisher ist es aber nicht gelungen, Materialien für die Anode zu entwickeln, die den hohen Ansprüchen genügen. Denn sie müssen leistungsfähig sein und dürfen gleichzeitig den Preis für Akkus nicht in die Höhe treiben.

Eine Möglichkeit könnten herkömmliche kohlenstoffbasierte Materialien sein. Die notwendige Leistung erreichen sie allerdings nur über eine Co-Dotierung mit mehreren Elementen, etwa Stickstoff und Schwefel. Das ist das nächste Problem: Die Prozesse für die Co-Dotierung sind komplex, tendenziell gefährlich, und nach Aussage der Forschenden in Korea führen sie nicht zu akzeptablen Ergebnissen. An dieser Stelle setzt ihre Arbeit an.

Neuer Syntheseweg könnte die Lösung sein

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben einen neuen Syntheseweg gefunden, um Kohlenstoff zu gewinnen, der mit Stickstoff und Schwefel co-dotiert ist. Sie nennen ihr Verfahren „Plasma in Flüssigkeit“. Praktisch stellen sie zunächst ein Gemisch von Vorläufern her, die Kohlenstoff, Stickstoff und Schwefel enthalten. In diese Lösung entladen sie Plasma. Das Ergebnis ist ein Material mit einem hohen Grad an Stickstoff- und Schwefel-Dotierung sowie einem strukturellen Rückgrat aus Ruß. Nach Angaben der Forschenden habe das Material ein großes Potenzial für Meerwasser-Batterien. Das von ihnen hergestellte co-dotierte Anodenmaterial habe eine hohe elektrochemische Leistung und eine erstaunliche Stromdichte. Die Lebensdauer geben sie mit mehr als 1.500 Zyklen an.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sind davon überzeugt, dass ihr Anodenmaterial den Weg ebnen könnte für eine kommerzielle Anwendung von Meerwasser-Batterien, die zudem weniger kosten würden als die bisherigen Lithium-Ionen-Akkus.

Meerwasser-Batterie könnte gefahrlos im Wasser eingesetzt werden

Zusätzlich zu den bekannten Anwendungsgebieten von Akkus könnten Meerwasser-Batterien neue Bereiche für ihren Einsatz erschließen. Denn es wäre tatsächlich möglich, sie sicher zu betreiben, während sie vollständig in Meerwasser eingetaucht sind.

Sie wären daher ideal, um sie zum Beispiel für die Notstromversorgung von Kraftwerken, Industrieanlagen oder Kliniken in Küstennähe einzusetzen. Ihr Vorteil gegenüber herkömmlichen Dieselgeneratoren bestünde darin, dass sie bei einer Flut oder gar einem Tsunami weiter funktionsfähig wären. Es wäre auch möglich, sie an Bojen zu installieren, um die Navigation und die Fischerei bei Bedarf mit Energie vor Ort auszustatten. Als dritten Einsatzbereich nennen die Forschenden Bergungsgeräte auf Passagierschiffen, die bei einem Schiffsunglück benötigt werden. Meerwasser-Batterien könnten einen stabilen Betrieb im Wasser garantierten und damit faktisch die Überlebenswahrscheinlichkeit der Passagiere erhöhen.

Bislang haben sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler allerdings noch nicht dazu geäußert, wann sie eine kommerzielle Produktion der neuen Meerwasser-Batterien für denkbar halten. Auch zur Skalierbarkeit des Systems ist nichts bekannt.

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Ein Beitrag von:

  • Nicole Lücke

    Nicole Lücke macht Wissenschaftsjournalismus für Forschungszentren und Hochschulen, berichtet von medizinischen Fachkongressen und betreut Kundenmagazine für Energieversorger. Sie ist Gesellschafterin von Content Qualitäten. Ihre Themen: Energie, Technik, Nachhaltigkeit, Medizin/Medizintechnik.

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