Wie Wasser Batterien sicherer machen könnte​

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Man denkt normalerweise nicht viel über die Flüssigkeiten nach, die in Batterien herumschwappen. Aber diese Elektrolyte sind ein wichtiger Bestandteil, der in hohem Maße bestimmt, wie Batterien funktionieren und wie sicher sie sind. Interessanterweise sprechen immer mehr Hersteller alternativer Batteriechemien über eine besonders interessante Elektrolytzutat: Wasser.

Lithium-Ionen-Batterien, die heute Elektroautos und Laptops antreiben, müssen bisher organische Lösungsmittel wie Ethylenkarbonat verwenden, um die Ladung zu transportieren (das „Warum“ soll etwas später noch genauer erklärt werden). Allerdings könnten chemische Verfahren, die es ermöglichen, stattdessen Wasser zu verwenden, weitaus sicherere Batterien bedeuten. Das wäre ein großer Vorteil, da immer mehr Batterien in großen Speichersystemen im Stromnetz zum Einsatz kommen.

Ein heißes Thema: Batteriesicherheit

Die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien kann ein schwieriges Thema sein, da es viele Fehlinformationen gibt und die Emotionen hochkochen können. Aber es lohnt sich, nachzuforschen, warum so viele Hersteller alternativer Batterien die Sicherheit betonen, wenn sie über ihre Technologie sprechen.

Lithium-Ionen-Batterien können manchmal Feuer fangen, in der Regel, wenn sie beschädigt oder zu heiß werden, und chemische Reaktionen in einem Prozess auslösen, der als thermisches Durchgehen bezeichnet wird. Geräte mit Lithium-Ionen-Batterien verfügen in der Regel über Sicherheitssysteme, um dieses Risiko einzudämmen: Elektrofahrzeuge sind beispielsweise mit Kühlsystemen um die Batteriepakete herum ausgestattet.

Aber manchmal kann trotzdem etwas schiefgehen. Es kommt zum Beispiel zu Herstellungsfehlern wie den Bränden beim Chevy Bolt. Es ist nicht ganz klar, wie oft E-Fahrzeuge im Allgemeinen in Brand geraten, obwohl einige Daten darauf hindeuten, dass es viel seltener ist als bei benzinbetriebenen Fahrzeugen. Andererseits können Brände in Elektrofahrzeugen heißer brennen als Brände in konventionellen Autos und sind schwieriger zu löschen.

Sicherheit im Stromnetz

Die Frage der Sicherheit könnte noch wichtiger werden, wenn wir anfangen, Batterien auf eine neue Weise zu nutzen: im Stromnetz. Mit der zunehmenden Einspeisung erneuerbarer Energien in das Stromnetz steigt der Bedarf an großangelegten Energiespeichern, die etwa Solarstrom für die Nacht speichern können.

Diese Speichersysteme sind eine gute Nachricht für Emissionssenkungen, aber es kann auch etwas schiefgehen. Wie Canary Media berichtete, kam es in New York in diesem Sommer zu einigen Batteriebränden in stationären Großspeicheranlagen im Netz. Bei keinem der Brände gab es Verletzte, und der Schaden beschränkte sich meist auf die Batterien selbst. Aber eine Serie von Bränden macht keinen besonders guten Eindruck.

Auch in New York City wächst die Besorgnis über Brände, die durch E-Bikes ausgelöst werden. Sie hätten potenziell tödlich enden können und wurden zumeist durch Fahrräder verursacht, die nicht ordnungsgemäß repariert wurden oder minderwertige Akkus verwendeten, was die Notwendigkeit einer Regulierung und strengen Qualitätskontrolle der Akkus unterstreicht.

Letztlich ist klar: Lithium-Ionen-Batterien können Feuer fangen. Das passiert nicht oft, und es gibt viele Sicherheitskontrollen, mit denen sich das Risiko wirksam eindämmen lässt. Aber einige Batteriehersteller wollen Alternativen bauen, die gar nicht erst Feuer fangen können.

Eine Verwässerung

Die Lithium-Ionen-Chemie wurde über Jahrzehnte hinweg optimiert, um viel Energie in ein kleines, leichtes Gerät zu packen und eine hohe Leistung zu erbringen. Ein Teil dieser Optimierung wurde durch die flüssigen Elektrolyten erreicht: Standardbatterien auf Lithiumbasis verwenden organische Lösungsmittel, die mit Salzen gemischt sind, um die Ladung zu transportieren.

Theoretisch können Batterien auch Wasser als Lösungsmittel verwenden, aber normalerweise tun sie das nicht. Dafür gibt es einen guten Grund: Die in Lithium-Ionen-Batterien übliche Hochspannung, die für eine hohe Leistung erforderlich ist, kann das Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufspalten.

Wenn es jedoch um große Speicheranlagen für das Stromnetz geht, muss ein anderes Gleichgewicht gefunden werden. Anstatt sich darauf zu konzentrieren, viel Energie in eine kleine Batterie zu packen, wollen Forscher und Unternehmen primär die Kosten für die Batterien senken.

Daher können Batterien, die für die Speicherung im Netz bestimmt sind, einige Kompromisse eingehen. Sie müssen vielleicht nicht so schnell geladen und entladen werden, und es ist weniger wichtig, sie so klein und leicht wie möglich zu machen.

Kommerzialisierung auf dem Weg

Das eröffnet die Möglichkeit, schwerere Materialien wie Eisen und Zink zu verwenden. Und bei geringerer Leistung und niedrigeren Spannungen können die Unternehmen Wasser mit Salzen als Elektrolyt verwenden. Das könnte zu Kosteneinsparungen beitragen, die Herstellung der Batterien erleichtern und auch die Sicherheit erhöhen. Es wäre wahrscheinlich schwierig, Batterien auf Wasserbasis in Brand zu setzen, auch wenn man es explizit versuchen würde.

Einige Unternehmen setzen auf die Vorteile von Wasser in ihren alternativen Batterien und machen erste Fortschritte auf dem Weg zur Kommerzialisierung. Preiswerte, langlebige Batterien auf Eisenbasis könnten dazu beitragen, die Versorgung mit erneuerbaren Energien auszugleichen und die Nutzung von sauberem Strom auszuweiten.

Form Energy ist eines der führenden Unternehmen bei der Entwicklung alternativer Batterien für das Stromnetz. Die Batterien des Unternehmens werden manchmal auch als „Rostbatterien“ bezeichnet, weil sie Eisen und Wasser verwenden und die Reaktionen denen ähneln, die beim Rosten von Metallen unter Einwirkung von Feuchtigkeit ablaufen.

Auf der Firmenwebseite wird die Sicherheit der Batterien angepriesen, die Systeme bergen „kein Risiko eines thermischen Durchgehens“. Das Unternehmen hat Anfang dieses Jahres den Grundstein für eine Fabrik in West Virginia gelegt.

(vsz)