Dank Wasser: Forschungsteam verdoppelt die Kapazität einer Batterie und entsalzt dabei auch noch

Energiespeicher gelten als eine der zentralen Voraussetzungen für die Energiewende. Während Lithium-Ionen-Batterien heute dominieren, suchen Forscher:innen weltweit nach Alternativen, die günstiger, nachhaltiger und langfristig besser verfügbar sind. Eine neue Entwicklung im Bereich der Natrium-Ionen-Technologie könnte nun gleich mehrere Probleme gleichzeitig adressieren. Ein Forschungsteam der University of Surrey hat gezeigt, dass ausgerechnet Wasser, bislang als störender Faktor betrachtet, die Leistung solcher Batterien erheblich verbessern kann. Die Entdeckung eröffnet nicht nur neue Perspektiven für Energiespeicher, sondern verbindet erstmals Batterietechnik mit der Gewinnung von Trinkwasser.

Natrium statt Lithium

Natrium-Ionen-Batterien gelten seit Jahren als vielversprechende Alternative zu Lithium-Systemen. Natrium ist weltweit reichlich vorhanden, kostengünstig und weniger problematisch in der Gewinnung. Dennoch blieb die Leistungsfähigkeit bislang hinter Lithium-Technologien zurück. Ein Grund dafür lag in den verwendeten Elektrodenmaterialien, deren Struktur als weniger effizient galt.

Das Team aus Surrey untersuchte ein bereits bekanntes Material: Natrium-Vanadium-Oxid. Traditionell wird dieses vor dem Einsatz stark erhitzt, um enthaltenes Wasser zu entfernen, da Feuchtigkeit als schädlich für elektrochemische Prozesse galt. Die Forscher:innen entschieden sich jedoch bewusst für den gegenteiligen Ansatz und beließen das Wasser im Material. Das Resultat überraschte selbst die Beteiligten. „Unsere Ergebnisse waren völlig unerwartet“, erklärte Studienleiter Daniel Commandeur laut den veröffentlichten Forschungsergebnissen. Das hydratisierte Material zeigte eine deutlich höhere Leistungsfähigkeit und Stabilität als bisherige Varianten.

Die wasserhaltige Struktur vergrößert offenbar die Abstände innerhalb des Materials, wodurch sich Natrium-Ionen leichter bewegen können. Dadurch steigt sowohl die gespeicherte Energiemenge als auch die Ladegeschwindigkeit. In Experimenten konnte das Material nahezu doppelt so viel elektrische Ladung aufnehmen wie typische Natrium-Ionen-Kathoden und blieb über mehr als 400 Ladezyklen stabil.

Batterie entfernt im Betrieb das Salz aus Salzwasser

Noch bemerkenswerter wurde die Entdeckung, als die Forscher:innen ihre Batterie unter extremen Bedingungen testeten. Statt eines klassischen Elektrolyten nutzten sie Salzwasser. Die Batterie funktionierte nicht nur weiterhin zuverlässig, sondern entfernte während des Betriebs aktiv Salzionen aus der Lösung.

Der zugrunde liegende Prozess basiert auf elektrochemischer Entsalzung: Während Natrium-Ionen in das Elektrodenmaterial eingelagert werden, werden gleichzeitig Chlorid-Ionen an einer Gegenelektrode gebunden. Auf diese Weise sinkt der Salzgehalt des Wassers Schritt für Schritt. Commandeur beschrieb diese Beobachtung als besonders spannend, da Batterien künftig „mehr tun könnten, als nur Energie zu speichern“.

Langfristig könnte daraus ein System entstehen, das Meerwasser gleichzeitig als Elektrolyt nutzt und parallel Süßwasser produziert. Besonders für Küstenregionen oder wasserarme Gebiete wäre eine solche Kombination aus Energiespeicher und Entsalzungsanlage technologisch attraktiv. Die Forschung steht zwar noch am Anfang, doch erste Ergebnisse zeigen, dass der Ansatz grundsätzlich funktioniert.

Natrium ist quasi unbegrenzt verfügbar

Die Bedeutung dieser Entwicklung reicht über das einzelne Material hinaus. Lithium-Batterien sind leistungsfähig, jedoch teuer und abhängig von begrenzten Rohstoffvorkommen. Natrium hingegen ist nahezu unbegrenzt verfügbar und weltweit gleichmäßiger verteilt. Dadurch könnten Lieferketten stabiler und Produktionskosten langfristig niedriger werden.

Hinzu kommt ein technischer Vorteil: Die neue Methode vereinfacht die Herstellung leistungsfähiger Natrium-Batterien, da ein bisher notwendiger Verarbeitungsschritt entfällt. Gleichzeitig zeigt die Forschung, dass vermeintliche Nachteile eines Materials manchmal nur Folge etablierter Annahmen sind. Gerade in der Batterieforschung, die stark von Erfahrungswerten geprägt ist, kann das Hinterfragen solcher Grundsätze zu unerwarteten Fortschritten führen.

Ob Natrium-Ionen-Batterien Lithium vollständig ersetzen werden, bleibt offen. Wahrscheinlicher ist ein Nebeneinander verschiedener Technologien für unterschiedliche Anwendungen, etwa stationäre Energiespeicher für erneuerbare Energien oder großskalige Netzsysteme. Die Kombination aus verbesserter Leistung, geringeren Kosten und zusätzlicher Wasseraufbereitung deutet jedoch darauf hin, dass Natrium-basierte Systeme künftig eine deutlich größere Rolle spielen könnten.

Die eigentliche Innovation liegt dabei weniger in einer völlig neuen Chemie als in einem einfachen Gedanken: Manchmal verbessert sich eine Technologie nicht durch Entfernen von Störfaktoren, sondern durch deren bewusste Nutzung. In diesem Fall ist es ausgerechnet Wasser, das einer Batterie neue Möglichkeiten eröffnet.

via University of Surrey