Eine wässrige Batterie mit einem Elektrolyten bei pH 7, geeignet zur direkten umweltgerechten Entsorgung

Warum sicherere wasserbasierte Batterien wichtig sind

Die meisten wiederaufladbaren Batterien basieren heute auf entflammbaren Flüssigkeiten oder ätzenden Säuren und Basen, was Sicherheits- und Umweltbedenken aufwirft. Diese Studie untersucht eine neue Art von wasserbasierter Batterie, die in einer milden, annähernd neutralen Lösung arbeitet – in etwa so sauer wie Trinkwasser oder die Lake, die zur Herstellung von Tofu verwendet wird. Da die Flüssigkeit sanft ist und die festen Bestandteile schwere Metalle vermeiden, zielen diese Batterien darauf ab, Energie über sehr lange Zeiträume zu speichern und anschließend ohne Umweltschäden entsorgt werden zu können.

Probleme heutiger wasserbasierter Batterien

Wasserbasierte oder „wässrige“ Batterien galten lange als sicherere Alternative zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Zellen, weil Wasser nicht brennt. Die meisten existierenden Konzepte verwenden jedoch Flüssigkeiten, die entweder stark sauer oder stark alkalisch sind. Unter solchen Bedingungen spaltet sich das Wasser an den Elektrodenoberflächen in Wasserstoff- und Sauerstoffgas. Das verschwendet Energie, trocknet die Zelle langsam aus und führt zu Blasenbildung, die die Elektroden beschädigt. Werden solche Batterien weggeworfen, können ihre korrosiven Flüssigkeiten Böden und Gewässer schädigen. Die Autoren wollten eine Batterie entwickeln, die die Vorteile von Wasser bewahrt, aber bei einem pH von etwa 7, nahe neutral, arbeitet, um diese Nebenreaktionen zu reduzieren.

Eine neue milde Flüssigkeit und passende Feststoffe

Das Team wählte gebräuchliche Salze von Magnesium und Calcium – MgCl₂ und CaCl₂ – als Grundlage der Batterieflüssigkeit. Diese Salze bilden konzentrierte Lösungen, die viel Ladung speichern und transportieren können, dabei nahezu neutral bleiben und bereits sicher in der Lebensmittelverarbeitung eingesetzt werden. Um mit diesen Flüssigkeiten zu arbeiten, synthetisierten die Forscher eine Familie poröser organischer Feststoffe, sogenannte kovalente organische Polymere, die als negative Elektrode dienen. Durch eine leichte Änderung der chemischen Bindung, die die Bausteine dieser Polymere verbindet, konnten sie einstellen, wie leicht das Material Elektronen aufnimmt und abgibt und wie stark es Magnesium- oder Calcium-Ionen anzieht. Eine Variante, Hex-TADD-COP genannt, fiel besonders auf, weil sie schnellen Ladungstransport, gute thermische Stabilität und eine niedrige Betriebsspannung kombinierte, was sich gut mit hochspannungsfähigen positiven Elektroden koppeln lässt.

Wie die neue Batterie Ladung speichert

Im gewählten Polymer enthalten die sich wiederholenden Einheiten Stickstoffatome, die so angeordnet sind, dass sie Magnesium- oder Calcium-Ionen beim Laden und Entladen kurzzeitig aufnehmen und wieder freigeben können. Mithilfe von Computermodellen und mehreren spektroskopischen Methoden zeigten die Forscher, dass diese Stickstoffstellen die zweiwertigen Ionen reversibel koordinieren, ohne das Polymer zu zerstören. Entscheidend ist, dass die nahezu neutrale Lösung sehr wenige freie Protonen enthält, sodass Wasserstoffionen im Ladungsspeicherprozess kaum eine Rolle spielen. Experimente in sauren Lösungen zeigten, dass zusätzliche Protonen unerwünschte Reaktionen auslösen, isolierende Ablagerungen auf der Elektrodenoberfläche bilden und die Lebensdauer des Geräts schnell verkürzen. Bei pH 7 hingegen behält die Elektrode mehr als 70 Prozent ihrer Kapazität selbst nach etwa 120.000 schnellen Lade-Entlade-Zyklen, eine außergewöhnlich lange Lebensdauer für eine wässrige Batterie.

Aufbau einer vollständigen Batterie und Test ihrer Lebensdauer

Um ein komplettes funktionsfähiges Gerät zu demonstrieren, kombinierten die Forscher die neue Polymer-Negativelektrode mit einer Positivelektrode aus einer preußischblauähnlichen Verbindung, die Kupfer und Eisen enthält. In den neutralen Magnesium- oder Calcium-Salzlösungen ergab dieses Paar eine Arbeitsspannung von bis zu etwa 2,2 Volt – hoch für eine wasserbasierte multivalente Batterie. Betrachtet man die Gesamtmasse der Elektroden und der Flüssigkeit, lieferten die Zellen spezifische Energien von ungefähr 40–50 Wattstunden pro Kilogramm, vergleichbar mit oder besser als viele andere Magnesium- oder Calciumsysteme. Ebenso wichtig ist, dass die Vollzellen bei hohen Strömen über 120.000 Zyklen nützliche Kapazität bewahrten, und Prototypen in Beutelbauweise mit dickeren Elektroden liefen ebenfalls stabil über tausende Zyklen, was auf praktisches Potenzial hinweist.

Was das für sauberere Energiespeicherung bedeutet

Die Studie zeigt, dass es möglich ist, eine langlebige wiederaufladbare Batterie zu bauen, die eine neutrale, lebensmitteltaugliche Salzlösung und eine organische Negativelektrode verwendet, die darauf ausgelegt ist, zerstörerische Nebenreaktionen zu vermeiden. Indem der pH nahe 7 gehalten und auf verbreitete, ungiftige Elemente wie Magnesium, Calcium, Kohlenstoff, Stickstoff und Eisen gesetzt wird, entwerfen die Autoren ein Gerät, das prinzipiell ohne Sonderbehandlung weggeworfen werden kann und dennoch strengen Umweltstandards entsprechen kann. Obwohl weitere Arbeiten nötig sind, um den Energiegehalt zu erhöhen und die großtechnische Herstellung zu optimieren, weist dieser Ansatz auf sicherere, umweltfreundlichere Batterien für Anwendungen hin, bei denen extreme Langlebigkeit und geringe Umweltbelastung wichtiger sind als die maximale Energiemenge.

Zitation: Chen, H., Feng, S., Wang, Y. et al. An aqueous battery using an electrolyte with a pH of 7 and suitable for direct environmental discard. Nat Commun 17, 2895 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69384-2

Schlüsselwörter: wässrige Batterien, Magnesium-Ionenspeicherung, Calcium-Ionen-Batterien, neutrale Elektrolyte, kovalente organische Polymere