Salzwasserbatterie: Speicherprinzip, Technischer Aufbau & Vergleich

Salzwasserbatterien sind eine Sonderform der Natrium-Ionen-Batterien mit einem anorganischen, wässrigen Elektrolyten. Sie sind preiswerter als die Varianten mit organischen Elektrolyten. Die Energiedichte von Salzwasserbatterien ist allerdings kleiner als Natrium-Ionen-Batterien mit organischem Elektrolyt.

• Derzeit sind Lithium-Ionen-Batterien einer der größten Erfolge für Energiespeicheranwendungen des letzten Jahrhunderts.
• Lithium-Ionen-Batterien sind leicht, kompakt und bieten eine hervorragende Energie- und Leistungsdichte.
• Sie dominieren den Markt für tragbare Elektronik, Hybrid- und Elektrofahrzeuge.
• Wegen der steigenden Nachfrage nach Lithium und den in der Lithium-Technologie eingesetzten Materialien wie Kobalt werden jedoch Bedenken zur zukünftigen und langfristigen Verfügbarkeit der kritischen Rohstoffe und der Kosten laut.
• Natrium-Ionen-Batterien und insbesondere Salzwasserbatterien werden als kostengünstige und umweltfreundlichere Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien angesehen.
• Das führt zu einem zunehmenden Interesse an ihrer Kommerzialisierung und den ökologischen Nachhaltigkeitsaspekten dieser Technologie.

Natrium- bzw. Salzwasser-Batterien funktionieren ähnlich wie Lithium-Ionen-Batterien, aber anstelle von Lithiumionen werden Natriumionen verwendet, um Energie zu speichern und freizusetzen. Wenn die Batterie aufgeladen wird, strömen Natriumionen durch einen Elektrolyten und lagern sich auf der negativen Elektrode ab. Wenn die Batterie entladen wird, wandern die Natriumionen zurück zur positiven Elektrode und geben dabei Energie ab.

In ihrer Dissertation "Elektrochemische und spektroskopische Untersuchung von Aktivmaterialien für die Anwendung in Lithium- und Natrium-Ionen-Batterien" beschreibt Katharina Koch die elementaren Unterschiede zwischen Lithium-Ionen- und Natrium-Ionen-Akkus wie folgt:

Während die Funktion von Natrium-Ionen-Batterien auf denselben Wirkmechanismen wie Lithium-Ionen-Batterien beruht, wirken sich die Unterschiede der Ionen auf die Funktionalität aus. Ein Unterschied findet sich im Größenunterschied beider Ionen begründet. Mit einem Ionenradius von 113 pm ist ein Natrium-Kation bei gleicher Koordinationszahl deutlich größer als ein Lithium-Kation mit 73pm. Dies führt zu einer gehinderten Bewegung des Natrium-Ions in einem vergleichbaren Wirtsgitter.

Ein weiterer Unterschied liegt im elektrochemischen Potential, welches für Natrium mit E0 (Na/Na+ ) = -2,71 V vs. H2/H+ höher ist als das von Lithium mit E0 (Li/Li+ ) = -3,04 V. Hieraus ergibt sich zwar zum einen eine geringere Energiedichte, zum anderen bietet sich jedoch die Möglichkeit der Verwendung wasserbasierter Elektrolyte aufgrund des schmaleren Potentialfensters.

Der Vorteil eines Natrium-Ionen-basierten Energiespeichers ergibt sich also aus der großen Verfügbarkeit von Natrium und des damit einhergehenden niedrigen Preises sowie der möglichen Verwendung von umweltfreundlicheren und kostengünstigeren wässrigen Elektrolyten. Daher spricht man auch von sogenannten "Salzwasserbatterien". Somit bietet sich die Nutzung von Natrium-Ionen-Batterien zum Beispiel für die Anwendung als kostengünstiger, stationärer Energiespeicher an.

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Die "Salzwasserbatterie" wird im Englischen als Aqueous Hybrid Ion (AHI) Battery bezeichnet. Die Kathode besteht aus Lithium-Manganoxid, die Anode aus Kohlenstoff ("activated carbon"), der Separator aus Baumwollvlies und der Elektrolyt aus Salzwasser auf Basis von Natrium-Sulfat.

Im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Akkus, bei denen ausschließlich Lithium-Ionen den Ladungstransport zwischen Anode und Kathode übernehmen, handelt es sich bei der Salzwasserbatterie um ein System, das man als "poly-ionisch" bezeichnen könnte. Dabei wird die Ladung sowohl von Lithium- als auch von Natrium-Ionen transportiert. Dazu kommen Wasserstoff-Protonen, die bei einem bestimmten Ladezustand entstehen und ebenfalls Ladung transportieren.

Bei der Salzwasserbatterie besteht die positive Elektrode aus Lithium-Mangan-Oxid (LMO), das sich zwar auch bei hohen Temperaturen unter Wärmeentwicklung und Sauerstoffentwicklung zersetzen kann. Die Salzwasser-Batterie gilt jedoch als extrem sicher, da das wässrige Elektrolyt weder brennbar noch explosiv ist. Die Salzwasser-Batterie ist zudem absolut wartungsfrei.

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Der Batterietyp "Aqueous-Hybrid-Ion" wurde von dem US-amerikanischen Unternehmen Aquion Energy entwickelt und patentiert. Der Batterietyp von Aquion Energy wurde bis Anfang des Jahres 2017 auch in Deutschland zum Verkauf angeboten. Aquion Energy meldete dann jedoch Insolvenz an und wurde von einem chinesischen Unternehmen übernommen, welches dann Verhandlungen mit dem Österreichischen Unternehmen BlueSky Energy aufnahm, die bislang europäischer Anbieter der Salzwasser-Batterie waren.

BlueSky Energy war ein österreichischer Hersteller von umweltfreundlichen Energiespeichern auf Salzwasserbasis aus Vöcklamarkt. In 2018 hatte das Unternehmen in Österreich den neuen Gewerbespeicher GREENROCK Business für Industrie- und Agrarbetriebe eingeführt. Das System war von 30 bis 270 Kilowattstunden skalierbar.

Darüber bot BlueSky Energy Kleinspeicherlösungen an, die an abgelegenen Plätzen wie Schrebergärten eine vollständig autarke Stromversorgung ermöglichen. Wegen Zahlungsunfähigkeit und Überschuldung musste der Hersteller von Salzwasserbatterien im September 2022 Konkurs anmelden.

In den vergangenen Jahren führten mehrere Hersteller Natrium-Ionen-, Natrium-Nickelchlorid-, Nickel-Metallhydrid- und Redox-Flow-Speichersysteme im Heimspeichermarkt ein. Umgangssprachlich werden diese auch als Salzwasserbatterien und Hochtemperaturbatterien bezeichnet. Die meisten dieser alternativen Heimspeichersysteme wurden bis auf Natrium-Ionen- und Natrium-Nickelchlorid-Systeme allerdings wieder vom Markt genommen.

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Allgemein wird berichtet, dass bei Salzwasserbatterien die Entladetiefe laut Herstellerangaben bis zu 100% nutzbar ist, d.h. dass sie vollständig entladen werden können, während die Entladetiefe bei Lithium-Ionen-Batterien überwiegend bei 90 Prozent liegt.

Lithium-Ionen-Batterien weisen mit bis zu 95 Prozent den größten Wirkungsgrad auf. Der Wirkungsgrad der Salzwasserbatterie liegt mit 80 bis 90 Prozent niedriger als der Wirkungsgrad von Lithium-Ionen-Speichern.

Die volumetrische Energiedichte der Salzwasserbatterie liegt deutlich unterhalb der üblichen Energiedichten von Lithium-Ionen-Batterien, welche die höchste Energiedichte aufweisen (innerhalb der Lithium-Ionen-Batterien haben LNMC-Batterien wiederum eine höhere Energiedichte als LFP-Batterien). Bei Salzwasserbatterien steigt deshalb gegenüber den derzeit üblichen Lithium-Speichern entweder der Raumbedarf, oder der Kunde muss bei vergleichbarer Größe Abstriche bei der Speicherkapazität in Kauf nehmen.

Die HTW Berlin hat gemeinsam mit Forschern des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) 2023 die Leistungsfähigkeit von Natrium-Ionen-Batterien untersucht ("Stromspeicher-Inspektion 2023"). Die Labormessergebnisse machen deutlich, dass in den alternativen Batterien im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien deutlich höhere Verluste anfallen.

Die Speicherverluste der bisher erhältlichen Natrium-Ionen-Batterien liegen um das Fünffache über denen von hocheffizienten Lithium-Ionen-Batterien. Bei den untersuchten Natrium-Nickelchlorid-Batterien sind die Verluste sogar um den Faktor 7 höher.

Zudem sind insbesondere Natrium-Ionen-Batterien von einer geringen Leistungsfähigkeit geprägt, die zudem mit sinkendem Ladezustand annähernd linear abnimmt. Ist die Natrium-Ionen-Batterie zur Hälfte entladen, kann sie nur noch 40 % der Maximalleistung abgegeben. Lithium-Ionen-Batterien können in der Regel hingegen fast während des gesamten Entladevorgangs die volle Leistung zur Verfügung stellen.

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*Lizenz: CC BY 3.0