Eine Batterie, die sicher nicht brennt
Eigentlich wurden Salzbatterien bereits vor Jahren für Elektroautos entwickelt. Heute versorgen sie heute Mobilfunkantennen mit Strom, und bald vielleicht ganze Wohngebiete. Empa-Forschende arbeiten mit einem Industriepartner daran, diese ganz besonderen Batterien weiterzuentwickeln.
Viele wissen das vielleicht nicht mehr: 1997 kippte die Mercedes-Benz-A-Klasse beim Elchtest aus der Kurve. Eine der Ursachen: Die A-Klasse und der Smart waren ursprünglich als Elektroautos konzipiert. Durch den Wechsel auf den Verbrennungsmotor entfiel die schwere Batterie, und der Schwerpunkt verlagerte sich zu weit nach oben.
Die Batterie, die damals hätte verbaut werden sollen, war eine sogenannte Salzbatterie. Im Gegensatz zu den meisten anderen Batterien, bei denen Kathode und Anode in einem gemeinsamen flüssigen Elektrolyten «schwimmen», ist der Elektrolyt bei einer Salzbatterie ein Feststoff, und zwar ein keramischer Ionenleiter auf Natriumaluminiumoxid-Basis. Der Festelektrolyt ist nicht brennbar und macht außerdem eine Abtrennung von Anode und Kathode möglich, wodurch die Lebensdauer der Batterie erhöht wurd. Die Kathode einer Salzbatterie basiert auf einem Granulat aus Kochsalz und Nickelpulver, die Natriummetallanode entsteht erst beim Aufladen.
Für die Elektromobilität hat sich diese Batterietechnologie nicht bewährt: Heute fahren E-Fahrzeuge mit Lithiumionen-Akkus, die leichter sind und sich schneller laden lassen. Aber in anderen Anwendungsbereichen ist die Salzbatterie ihrer Lithiumionen-Konkurrenz immer noch überlegen. Das ist der Grund dafür, warum Salzbatterien heute aktiv erforscht werden, unter anderem an der Empa in der Schweiz.
Viele wissen das vielleicht nicht mehr: 1997 kippte die Mercedes-Benz-A-Klasse beim Elchtest aus der Kurve. Eine der Ursachen: Die A-Klasse und der Smart waren ursprünglich als Elektroautos konzipiert. Durch den Wechsel auf den Verbrennungsmotor entfiel die schwere Batterie, und der Schwerpunkt verlagerte sich zu weit nach oben.
Die Batterie, die damals hätte verbaut werden sollen, war eine sogenannte Salzbatterie. Im Gegensatz zu den meisten anderen Batterien, bei denen Kathode und Anode in einem gemeinsamen flüssigen Elektrolyten «schwimmen», ist der Elektrolyt bei einer Salzbatterie ein Feststoff, und zwar ein keramischer Ionenleiter auf Natriumaluminiumoxid-Basis. Der Festelektrolyt ist nicht brennbar und macht außerdem eine Abtrennung von Anode und Kathode möglich, wodurch die Lebensdauer der Batterie erhöht wurd. Die Kathode einer Salzbatterie basiert auf einem Granulat aus Kochsalz und Nickelpulver, die Natriummetallanode entsteht erst beim Aufladen.
Für die Elektromobilität hat sich diese Batterietechnologie nicht bewährt: Heute fahren E-Fahrzeuge mit Lithiumionen-Akkus, die leichter sind und sich schneller laden lassen. Aber in anderen Anwendungsbereichen ist die Salzbatterie ihrer Lithiumionen-Konkurrenz immer noch überlegen. Das ist der Grund dafür, warum Salzbatterien heute aktiv erforscht werden, unter anderem an der Empa in der Schweiz.
Langlebig und sicher
2016 ging der Tessiner Salzbatteriehersteller HORIEN Salt Battery Solutions, ehemals FZSoNick, auf die Empa zu und wollte im Rahmen eines Innosuisse-Projekts den keramischen Natriumaluminiumoxid-Elektrolyten in ihren Batteriezellen verbessern. Daraus entstanden weitere Projekte zu Zellgeometrie und Elektrochemie der Salzbatterie, da diese sich immens von anderen Batterietypen unterscheidet.
"Der Zusammenbau von Salzbatteriezellen für Forschungszwecke ist sehr aufwändig, und es gibt kaum Studien zu deren genauer Funktionsweise. Das macht diese Projekte so interessant für uns: Wir können sehr viel lernen und entwickeln unser Verständnis zusammen mit dem Industriepartner weiter", so Empa-Forscherin Meike Heinz aus der Abteilung "Materials for Energy Conversion", die von Corsin Battaglia geleitet wird.
Der andere Zellaufbau bringt der Salzbatterie aber auch einige Vorteile gegenüber Lithiumionen-Batterien. Zum Beispiel in Sachen Sicherheit: Zwar brauchen Salzbatterien eine Betriebstemperatur von rund 300° Celsius, aber sie können weder brennen noch explodieren. Deshalb kommen sie auch an Orten zum Einsatz, wo Lithiumionen-Akkus gar nicht erst zugelassen sind, etwa im Berg- und Tunnelbau oder überall dort, wo es brennbare und gasförmige Stoffen in der Nähe gibt. Durch die hohe Betriebstemperatur sind Salzbatterien wesentlich weniger temperaturempfindlich als ihre Lithiumionen-Kontrahenten. Dies macht sie zu idealen Notstromspeichern für kritische Infrastruktur, beispielsweise Mobilfunkantennen. Selbst an abgelegenen und exponierten Orten können die langlebigen und vollends wartungsfreien Salzbatterien ihre Arbeit über Jahrzehnte zuverlässig verrichten.
Die Betriebstemperatur ist aber auch ein Nachteil dieser Batterietechnologie: Salzbatterien brauchen eine Art "Standheizung", um einsatzbereit zu sein. Aber ist eine Batterie, die Strom zu Einsatz braucht, überhaupt wirtschaftlich? "Je nach Anwendung ist es wirtschaftlicher, eine Batterie warmzuhalten als sie zu kühlen", erklärt Meike Heinz. "Beim Laden und Entladen entsteht durch die natürlichen Zellwiderstände Wärme. In einem optimalen System kann sich eine grosse Batterie dadurch selbst heizen", ergänzt Empa-Forscher Enea Svaluto-Ferro.
"Der Zusammenbau von Salzbatteriezellen für Forschungszwecke ist sehr aufwändig, und es gibt kaum Studien zu deren genauer Funktionsweise. Das macht diese Projekte so interessant für uns: Wir können sehr viel lernen und entwickeln unser Verständnis zusammen mit dem Industriepartner weiter", so Empa-Forscherin Meike Heinz aus der Abteilung "Materials for Energy Conversion", die von Corsin Battaglia geleitet wird.
Der andere Zellaufbau bringt der Salzbatterie aber auch einige Vorteile gegenüber Lithiumionen-Batterien. Zum Beispiel in Sachen Sicherheit: Zwar brauchen Salzbatterien eine Betriebstemperatur von rund 300° Celsius, aber sie können weder brennen noch explodieren. Deshalb kommen sie auch an Orten zum Einsatz, wo Lithiumionen-Akkus gar nicht erst zugelassen sind, etwa im Berg- und Tunnelbau oder überall dort, wo es brennbare und gasförmige Stoffen in der Nähe gibt. Durch die hohe Betriebstemperatur sind Salzbatterien wesentlich weniger temperaturempfindlich als ihre Lithiumionen-Kontrahenten. Dies macht sie zu idealen Notstromspeichern für kritische Infrastruktur, beispielsweise Mobilfunkantennen. Selbst an abgelegenen und exponierten Orten können die langlebigen und vollends wartungsfreien Salzbatterien ihre Arbeit über Jahrzehnte zuverlässig verrichten.
Die Betriebstemperatur ist aber auch ein Nachteil dieser Batterietechnologie: Salzbatterien brauchen eine Art "Standheizung", um einsatzbereit zu sein. Aber ist eine Batterie, die Strom zu Einsatz braucht, überhaupt wirtschaftlich? "Je nach Anwendung ist es wirtschaftlicher, eine Batterie warmzuhalten als sie zu kühlen", erklärt Meike Heinz. "Beim Laden und Entladen entsteht durch die natürlichen Zellwiderstände Wärme. In einem optimalen System kann sich eine grosse Batterie dadurch selbst heizen", ergänzt Empa-Forscher Enea Svaluto-Ferro.
Zellchemie für die Zukunft
Als Materialforschende fokussieren sich Meike Heinz und ihr Team auf die Zellchemie. Die Rohstoffe für Schmelzsalzbatterien sind mehrheitlich günstig und in großen Mengen verfügbar. Die Architektur der Zelle ermöglicht außerdem ein einfaches Recycling. Da das Kathodenmaterial Nickel aber zunehmend als kritisch eingestuft wird, machten sich HORIEN und die Empa im Rahmen des durch das Schweizer Bundesamt für Energie (BFE) geförderten Projektes «HiPerSoNick» unter anderem daran, den Nickelgehalt der Zellen zu reduzieren. Keine leichte Aufgabe, da für eine effiziente und langlebige Salzbatterie die Zusammensetzung und die Mikrostruktur in der Zelle sehr genau aufeinander abgestimmt sein müssen.
Im Rahmen des EU-Projekts «SOLSTICE», das noch bis Mitte 2025 läuft, untersuchen HORIEN und die Empa, gemeinsam mit weiteren Projektpartnern, ob es möglich is das Nickel in Schmelzsalzbatterien sogar ganz durch Zink zu ersetzen. "Der niedrige Schmelzpunkt von Zink ist bei der aktuellen Betriebstemperatur aber eine Herausforderung", so Meike Heinz. Dennoch konnten die Forschenden bereits einige vielversprechende Ansätze finden, um die Kathodenmikrostruktur zu stabilisieren.
Auch weitere Folgeprojekte sind bereits angedacht, in denen die Empa-Forschenden versuchen wollen, Nickel-freie Salzbatterien weiter zu verbessern – und zu skalieren. Denn durch ihre Sicherheit, ihre lange Lebensdauer und den Verzicht auf kritische Rohstoffe würden sich Salzbatterien bestens als stationäre Speicher eignen, die in Zukunft sicher in größeren Mengen gebraucht werden.
Wenn es gelingt, Salzbatterien günstig und in entsprechenden Mengen herzustellen, könnten sie eines Tages nicht nur Mobilfunkantennen, sondern ganze Wohngebiete mit Strom versorgen. Leider dürfte das noch dauern.
Im Rahmen des EU-Projekts «SOLSTICE», das noch bis Mitte 2025 läuft, untersuchen HORIEN und die Empa, gemeinsam mit weiteren Projektpartnern, ob es möglich is das Nickel in Schmelzsalzbatterien sogar ganz durch Zink zu ersetzen. "Der niedrige Schmelzpunkt von Zink ist bei der aktuellen Betriebstemperatur aber eine Herausforderung", so Meike Heinz. Dennoch konnten die Forschenden bereits einige vielversprechende Ansätze finden, um die Kathodenmikrostruktur zu stabilisieren.
Auch weitere Folgeprojekte sind bereits angedacht, in denen die Empa-Forschenden versuchen wollen, Nickel-freie Salzbatterien weiter zu verbessern – und zu skalieren. Denn durch ihre Sicherheit, ihre lange Lebensdauer und den Verzicht auf kritische Rohstoffe würden sich Salzbatterien bestens als stationäre Speicher eignen, die in Zukunft sicher in größeren Mengen gebraucht werden.
Wenn es gelingt, Salzbatterien günstig und in entsprechenden Mengen herzustellen, könnten sie eines Tages nicht nur Mobilfunkantennen, sondern ganze Wohngebiete mit Strom versorgen. Leider dürfte das noch dauern.
