Die Salzbatterie wurde ursprünglich für Elektrofahrzeuge entwickelt. Heute versorgt sie Mobilfunkantennen mit Strom und vielleicht bald ganze Wohngebiete. Die Technologie dafür ist sicher, langlebig und sie hat ein enormes Potential. Die EMPA forscht zusammen mit
Industriepartnern an der Weiterentwicklung dieser vielversprechenden Technologie.
Schon 1997 war eine Salzbatterie für den Einbau in die Mercedes A-Klasse vorgesehen. Man wechselte aber auf einen Verbrennungsmotor, wodurch sich der Schwerpunkt zu weit nach oben verlagerte. Der berühmte Elchtest war geboren.
In den üblichen Batterien schwimmen Anode und Kathode in einem gemeinsamen flüssigen Elektrolyt. Bei der Salzbatterie ist der Elektrolyt ein keramischer Ionenleiter auf Natriumaluminiumoxid-Basis, also ein Feststoff. Dieser Festelektrolyt ist nicht brennbar und ermöglicht eine Abtrennung von Anode und Kathode, was die Lebensdauer der Batterie erhöht. Die Kathode besteht aus einem Granulat aus Kochsalz und Nickelpulver, die Natriummetallanode entsteht erst beim Aufladen.
Für die Elektromobilität eignet sich diese Batterietechnologie nicht. Lithiumionen-Akkus sind leichter und können schneller aufgeladen werden. In stationären Bereichen ist die Salzbatterie ihrer Lithiumionen- Konkurrenz überlegen. Deshalb werden sie heute aktiv erforscht – unter anderem an der Empa
Langlebig und sicher
2016 ging der Tessiner Salzbatteriehersteller HORIEN Salt Battery Solutions (vormals FZSoNick) auf die Empa zu. Das Unternehmen wollte im Rahmen eines Innosuisse-Projekts den keramischen Natriumaluminiumoxid-Elektrolyten in ihren Batteriezellen verbessern. Es folgten weitere Projekte zu Zellgeometrie und Elektrochemie der Salzbatterie, denn diese unterscheidet sich stark von anderen Batterietypen.
«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», sagt Empa- Forscherin Meike Heinz aus der Abteilung «Materials for Energy Conversion», die von Corsin Battaglia geleitet wird.
Mit dem andersartigen Zellaufbau bietet die Salzbatterie einige Vorteile und mehr Sicherheit gegenüber Lithiumionen-Batterien. Salzbatterien benötigen eine Betriebstemperatur von rund 300° Celsius, können aber weder brennen noch explodieren. Sie können deshalb an Orten eingesetzt werden, an denen Lithiumionen-Akkus nicht zugelassen sind. Dazu gehören Berg- und Tunnelbau oder Offshore Öl- und
Gasförderplattformen. 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 wartungsfreien Salzbatterien ihre Arbeit über Jahrzehnte zuverlässig verrichten.
Wegen der nachteiligen und hohen Betriebstemperatur müssen die Salzbatterien geheizt werden, um einsatzbereit zu sein. Die EMPA klärte ab, ob eine solche Batterie überhaupt wirtschaftlich betrieben werden kann. «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», fügt Empa-Forscher Enea Svaluto-Ferro hinzu.
Zellchemie für die Zukunft
Als Materialforschende fokussieren sich die EMPA-Forscher auf die Zellchemie. Die Rohstoffe sind mehrheitlich günstig und ausreichend Mengen verfügbar und die Architektur der Zelle ermöglicht ein einfaches Recycling. Da das Kathodenmaterial Nickel aber zunehmend als kritisch eingestuft wird, machten sich HORIEN und die Empa im Rahmen des durch das Bundesamt für Energie (BFE) geförderten Projektes «HiPerSoNick» unter anderem daran, den Nickelgehalt der Zellen zu reduzieren. Diese Aufgabe ist nicht leicht, 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, die Empa und weitere Projektpartnern, ob sich das Nickel in Schmelzsalzbatterien sogar ganz durch Zink ersetzen lässt. Der niedrige Schmelzpunkt von Zink ist bei der aktuellen Betriebstemperatur aber eine Herausforderung. Dennoch konnten die Forschenden bereits vielversprechende Ansätze finden, um die Kathodenmikrostruktur zu stabilisieren.
Auch weitere Projekte sind in Vorbereitung, um Nickel-freie Salzbatterien weiter zu verbessern und zu skalieren. Denn mit ihrer Sicherheit, der langen Lebensdauer und dem Verzicht auf kritische Rohstoffe würden sich Salzbatterien ausgezeichnet als stationäre Speicher eignen. Wenn es gelingt, Salzbatterien günstig und in grossen Mengen herzustellen, könnten sie nicht nur Mobilfunkantennen, sondern ganze Wohngebiete mit Strom versorgen.