Ein vom Schweizerischen Nationalfonds (SNF) gefördertes Projekt erforscht neue Materialien für wiederaufladbare Batterien, die langfristig die heutigen Lithiumionen-Akkus ersetzen sollen. Denn diese haben laut SNF gewichtige Nachteile: Lithium ist ein begrenzt verfügbarer Rohstoff und birgt Sicherheitsrisiken, die mit der Verwendung brennbarer flüssiger Bestandteile in der Batterie verbunden sind. In Einzelfällen kam es zu explodierenden Smartphones.


Die jüngsten Forschungsarbeiten unter der Leitung von Arndt Remhof von der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Empa belegen, dass Natrium und Magnesium für die Entwicklung neuer, reiner Feststofftechnologien geeignet sind. Sein Team hat Testzellen mit diesen beiden Metallen entwickelt. 
Für die von den Schweizer Wissenschaftlern konzipierten Speicherzellen werden so genannte Festelektrolyte anstatt der bekannten Flüssigelektrolyte eingesetzt. Dies sei äusserst anspruchsvoll, denn die Ionen – ob Lithium, Natrium oder Magnesium – müssten sich in diesem festen Umfeld bewegen können. Indem die (positiv geladenen) Ionen im Akku von einem Pol zum anderen wandern, ermöglichen sie die Bewegung der (negativ geladenen) Elektronen und erzeugen somit Strom. 
Um die Mobilität der Ionen zu gewährleisten, entwickelten die Forscher feste Elektrolyte, die eine kristalline chemische Struktur aufweisen.

Als das Team um Arndt Remhof Lithium durch die Metalle Natrium bzw. Magnesium ersetzte, musste es diese Kristallstruktur komplett überarbeiten sowie auf neue Verbindungen und Herstellungsverfahren zurückgreifen. 
Remhof und sein Team entwickelten einen Festelektrolyten, der die Mobilität der Natriumionen ab 20 Grad Celsius gewährleistet. Dieser Aspekt ist von zentraler Bedeutung: Ionen brauchen Wärme, um wandern zu können. Diese Reaktion bereits bei Raumtemperatur auszulösen, ist eine enorme technische Herausforderung. Der Elektrolyt ist zudem nicht brennbar und bleibt bis 300 Grad chemisch stabil, was ihn besonders sicher macht.

Als eine der beiden Komponenten von Kochsalz ist Natrium – im Gegensatz zu Lithium – nahezu unbegrenzt verfügbar. Allerdings speichert Natrium bei gleichem Gewicht weniger Energie als Lithium. Es dient daher als ideale Alternative, wenn die Grösse des Speichermediums für die Anwendung unerheblich ist.


Das gleiche Team hat auch einen Festelektrolyten für Magnesium entwickelt. Magnesium in Bewegung zu versetzen, ist schwierig, aber umso interessanter: Es ist leicht, in grossen Mengen verfügbar und kann nicht explodieren. Was noch wichtiger ist: Magnesiumionen sind zweifach positiv geladen, Lithiumionen dagegen nur einfach. In der Praxis bedeutet das, dass Magnesium bei gleichem Volumen fast die doppelte Energiemenge speichern kann. 
Einige der getesteten Elektrolyte haben Magnesiumionen bereits in Bewegung versetzt, allerdings erst bei Temperaturen über 400 Grad. Der Elektrolyt der Schweizer Forschenden erreicht eine vergleichbare Leitfähigkeit bereits bei 70 Grad.

"Bei dieser Pionierarbeit geht es um den Machbarkeitsnachweis", sagt die Versuchsleiterin Elsa Roedern von der Empa. "Von einem kompletten, funktionstüchtigen Prototypen sind wir noch weit entfernt, aber wir haben einen ersten, wichtigen Schritt in die richtige Richtung gemacht."