Japan entwickelt 90-°C-Wasserstoffbatterie für sicherere und effizientere Speicherung

Warum eine Wasserstoffbatterie bei 90 °C jetzt wichtig ist

Forschende in Japan haben eine Wasserstoffbatterie vorgestellt, die Wasserstoff bei etwa 90 °C speichert und wieder freisetzt. Das entspricht 194 °F. Dieser Betriebsbereich liegt deutlich unter den 300 bis 400 °C, die bei Feststoffspeichern auf Basis von Magnesiumhydrid üblicherweise erforderlich sind. Damit geht die Entwicklung das größte Problem eines Wasserstoffenergiesystems an: die zuverlässige und sichere Speicherung, die effizient und reversibel ist. Das Team des Institute of Science Tokyo unter der Leitung von Dr. Takashi Hirose sowie mit Assistenzprofessor Naoki Matsui und Institutsprofessor Ryoji Kanno vom Research Center for All Solid State Battery in Science Tokyo berichtet über den Fortschritt in der Ausgabe der Fachzeitschrift Science vom 18. September 2025.

Wasserstoff kann Energie zeitlich und räumlich verlagern, ohne bei der Nutzung Kohlendioxid auszustoßen. Seine Speicherung ist jedoch seit Langem ein hartnäckiges Problem. Tanks für komprimiertes Gas sind schwer und teuer, und flüssiger Wasserstoff muss auf kryogene Temperaturen von etwa minus 253 °C gekühlt werden. Ein praxistauglicher Feststoffspeicher, der nahe dem Siedepunkt von Wasser arbeitet, würde die Konstruktionsentscheidungen bei Fahrzeugen, Industrieanlagen und der Speicherung erneuerbarer Energie verändern. Die neue Zelle verwendet Magnesiumhydrid als Speichermedium und einen speziellen Festelektrolyten, der Hydridionen leitet. So sind Ladezyklen mit voller Kapazität bei einer Temperatur möglich, die mit realen Anlagen erreichbar ist.

Was die Forschenden entwickelt haben

Das Gerät ist eine elektrochemische Zelle, in der Wasserstoff als aktiver Ladungsträger dient. Magnesiumhydrid, geschrieben als MgH2, bildet die Anode, an der Wasserstoff gespeichert wird. Wasserstoffgas ist die Kathode. Dazwischen liegt ein neu entwickelter Festelektrolyt, der Hydridionen selbst bei Raumtemperatur schnell leitet. Die Elektrolytzusammensetzung Ba0.5Ca0.35Na0.15H1.85 weist eine Kristallstruktur vom Anti-Alpha-AgI-Typ auf, die für ihr superionisches Verhalten bekannt ist und Hydridionen einen ungehinderten Weg durch den Feststoff ermöglicht.

So lädt und entlädt sich die Zelle

Beim Laden gibt die Anode Hydridionen aus MgH2 ab. Diese Ionen wandern durch den Festelektrolyten zur Wasserstoffelektrode, wo sie oxidiert werden und Wasserstoffgas bilden. Beim Entladen wird Wasserstoffgas an der Kathode zu Hydridionen reduziert. Diese Ionen wandern durch den Elektrolyten zurück zur Anodenseite und reagieren dort mit Magnesium, sodass sich MgH2 erneut bildet. Der Vorgang ist vollständig reversibel. Dasselbe Material kann daher bei etwa 90 °C wiederholt Wasserstoff speichern und freisetzen, ohne extreme Hitze zu benötigen.

Elektrochemisch betrachtet ersetzt die Zelle das übliche Bild, bei dem ausschließlich Elektronen beteiligt sind, durch eines, in dem Wasserstoff direkt mitwirkt. Die beim Laden und Entladen angelegte Spannung und der Strom treiben die Bewegung der Hydridionen an. Diese Steuerung ersetzt den hohen Wärmeeintrag, den viele thermische Speicherverfahren benötigen. Dadurch sinken die Energieverluste und die Systemauslegung wird einfacher.

Warum die Speicherung von Wasserstoff schwierig ist

Druckwasserstofftanks arbeiten oft bei Drücken von 350 bis 700 bar. Die für die Kompression benötigte Arbeit senkt den Nettowirkungsgrad, und die Tanks erhöhen bei mobilen Anwendungen Gewicht und Kosten. Flüssigwasserstoff kommt zwar ohne große Drucktanks aus, bringt aber eigene Hürden mit sich. Wasserstoff muss zum Verflüssigen auf unter 21 K gekühlt werden, wofür energieintensive Kryotechnik nötig ist. Verdampfungsverluste bleiben eine Herausforderung, besonders in warmer Umgebung und bei langsamer Entnahme.

Feste Materialien bieten eine weitere Möglichkeit. Sie können Wasserstoff bei niedrigem Druck in kompakter Form speichern. Viele der am intensivsten untersuchten Hydride geben Wasserstoff jedoch erst bei sehr hohen Temperaturen ab. Der nötige Wärmeeintrag macht die Systeme komplex und senkt den Wirkungsgrad des gesamten Speicherzyklus. Elektrochemische Ansätze bei niedrigeren Temperaturen mit flüssigen Elektrolyten hatten Schwierigkeiten, weil sich Hydridionen in Flüssigkeiten, die für Lithium- oder Natriumbatterien ausgelegt sind, nur schlecht bewegen. Deshalb blieben die erzielten Kapazitäten weit unter dem, was die Feststoffe theoretisch speichern können. Das japanische Team löst den Engpass beim Ionentransport, indem es einen Feststoff verwendet, der speziell für die schnelle Leitung von Hydridionen entwickelt wurde.

Einblick in den neuen Festelektrolyten

Der Elektrolyt leitet Hydridionen und besitzt ein Gerüst vom Anti-Alpha-AgI-Typ. In dieser Struktur besetzen Barium, Calcium und Natrium Positionen, die ein Netzwerk aus Plätzen und Kanälen bilden. Hydridionen können mit geringem Widerstand zwischen tetraedrischen und oktaedrischen Plätzen wechseln. Dadurch ist die Ionenleitfähigkeit selbst bei Raumtemperatur hoch. Diese schnelle Bewegung ermöglicht den Betrieb einer Magnesiumhydridzelle bei 90 °C.

Das Material ist nicht nur schnell, sondern auch elektrochemisch stabil. Ein Festelektrolyt verhindert Mischungsprobleme und Nebenreaktionen, die bei Flüssigsystemen auftreten können. Der feste Separator trennt die Wasserstoffelektrode vom Magnesiumhydrid und lässt zugleich Hydridionen passieren. Diese Anordnung ermöglicht wiederholbare Ladezyklen und mindert Sicherheitsrisiken durch Lecks oder Flüchtigkeit. Die Zusammensetzung lässt sich durch Anpassung des Verhältnisses von Barium, Calcium und Natrium verändern. Das eröffnet Möglichkeiten, Leitfähigkeit, Stabilität und Herstellbarkeit zu verbessern.

Leistung und Bedeutung der Messwerte

Der Prototyp erreichte die volle theoretische Speicherkapazität von Magnesiumhydrid: etwa 2.030 Milliamperestunden pro Gramm. Das entspricht einem Wasserstoffanteil von 7,6 Gewichtsprozent. Dieser Wert ist ein hoher Maßstab für ein praxistaugliches Wasserstoffspeichermedium. Ihn mit einer Zelle zu erreichen, die bei etwa 90 °C arbeitet, ist ein bedeutender Fortschritt: Hohe Kapazität verbindet sich mit einem realistisch umsetzbaren technischen Rahmen.

Entscheidend ist, dass der Elektrolyt Hydridionen schon bei Raumtemperatur schnell leitet. Die Zelle muss daher nur mäßig erwärmt werden, damit die Reaktionskinetik des Magnesiumhydrids ausreicht, ohne Energie zu verschwenden. Temperaturen unter 100 °C vereinfachen Heizungen, Isolierung, Dichtungen und Sicherheitsmaßnahmen im Vergleich zu Systemen, die mehrere hundert Grad Celsius benötigen. Die geringere Betriebstemperatur erleichtert zudem die thermische Integration. Abwärme aus einem Brennstoffzellenstapel oder einem Motor kann dazu beitragen, die Speicherzelle in ihrem Arbeitsbereich zu halten.

Für die praktische Nutzung ist die Reversibilität entscheidend. Das Team berichtet von wiederholtem Speichern und Freisetzen bei voller Kapazität und niedriger Temperatur. Das war mit früheren thermischen Verfahren oder Flüssigelektrolyten nicht gelungen. Die Kombination aus hoher Energiedichte, niedrigerer Temperatur und wiederholbaren Ladezyklen bringt die Idee aus dem Bereich der Laborforschung näher an eine Plattform, die sich in Fahrzeuge oder stationäre Speicheranlagen integrieren lässt.

Mögliche Anwendungen von Fahrzeugen bis zur Stromspeicherung

Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeuge benötigen kompakte Speicher, die sicher, leicht und effizient sind. Ein Feststoffspeicher, der nahe dem Siedepunkt von Wasser arbeitet, könnte einen Teil der Nachteile von Hochdrucktanks ausgleichen. Ein Wasserstoffbatteriemodul könnte an einer Station Wasserstoff aufnehmen, der vor Ort erzeugt wurde, und später bei Bedarf Gas abgeben, um einen Brennstoffzellenstapel zu versorgen. Das reversible Feststoffdesign verringert den Bedarf an komplexen kryogenen oder sehr hoch verdichteten Systemen. Dadurch könnten die Kosten sinken und sich mehr Möglichkeiten zur Unterbringung in Autos, Lastwagen und Bussen eröffnen.

In der Energieversorgung lässt sich eine Wasserstoffbatterie gut mit schwankenden Energiequellen kombinieren. Solar- oder Windstrom kann einen Elektrolyseur antreiben, der bei reichlichem Stromangebot Wasserstoff erzeugt. Die Wasserstoffbatterie kann das Gas bei niedrigem Druck aufnehmen und speichern und es später bei Spitzenlast oder geringer Einspeisung aus erneuerbaren Quellen an eine Brennstoffzelle oder Turbine abgeben. Der Ansatz eignet sich für Mikronetze, Inselnetze und abgelegene Anlagen, in denen große Tanklager unpraktisch sind.

Industrieunternehmen benötigen eine zuverlässige und flexible Wasserstoffversorgung. Bei der Stahlherstellung, der Ammoniakproduktion und in Raffinerien sind gleichmäßige Gasströme wichtig, damit die Prozesse stabil laufen. Ein modularer Feststoffspeicher kann als Puffer dienen und kurzfristige Schwankungen bei Versorgung und Verbrauch ausgleichen. Der Betrieb bei niedrigeren Temperaturen und die feste Bauweise könnten die Standortwahl innerhalb von Industrieanlagen vereinfachen und Genehmigungsverfahren erleichtern, verglichen mit der Speicherung von Flüssigwasserstoff.

Herausforderungen bei Technik und Hochskalierung

Eine Zelle nahe 90 °C zu halten ist einfacher, als sie bei 300 °C zu betreiben, erfordert aber weiterhin ein Wärmemanagement. Konstrukteure müssen Heizungen, Isolierung und Regelungstechnik vorsehen, um die Temperatur in kalten Klimazonen zu halten und eine Überhitzung bei hohen Außentemperaturen zu verhindern. Temperaturschwankungen beim schnellen Laden und Entladen müssen sorgfältig beherrscht werden, damit die Materialien nicht reißen oder sich zersetzen.

Auch die Materialien und die Herstellung sind entscheidend. Der Elektrolyt ist ein Mehrkomponentenhydrid, das empfindlich auf Sauerstoff und Feuchtigkeit reagiert. Pulver mit der richtigen Stöchiometrie, Partikelgröße und Reinheit herzustellen und daraus anschließend dichte, fehlerfreie Separatoren zu formen, erfordert kontrollierte Umgebungen und Qualitätskontrollen. Magnesiumhydrid reagiert mit Wasser und Sauerstoff, deshalb müssen Gehäuse Luft und Feuchtigkeit fernhalten. Auch die mechanische Haltbarkeit bei den Volumenänderungen während der Ladezyklen muss geprüft werden, denn Hydride dehnen sich aus und ziehen sich zusammen. Um den Widerstand niedrig und die Lebensdauer hoch zu halten, werden Entwickler an Beschichtungen, Bindemitteln und der Kontrolle des Stapeldrucks arbeiten.

Bei der Systemintegration gelten die üblichen Sicherheitsanforderungen für Wasserstoff. Die Gasführung muss Lecks verhindern und eine sichere Entlüftung gewährleisten. Sensoren, Ventile und Regler müssen mit dem Feststoffspeicher zusammenarbeiten, damit das Gesamtsystem die geltenden Vorschriften und Normen erfüllt. Bei Fahrzeugen bestimmen Größe, Gewicht und Kosten den Weg zur Anwendung. Bei stationären Anwendungen müssen alle Komponenten, vom Elektrolyseur über Brennstoffzellen bis zur Leistungselektronik, so ausgelegt sein, dass der Wirkungsgrad des gesamten Speicherzyklus besser ausfällt als bei Alternativen. Pilotprojekte in zunehmend größerem Maßstab werden entscheidend sein, um langfristige Leistung und Wartungsbedarf zu ermitteln.

Vergleich mit anderen Speicheroptionen

Druckgassysteme sind einfach, verursachen aber Energieverluste durch die Kompression und erfordern robuste, schwere Tanks. Flüssigwasserstoff hat eine hohe volumetrische Energiedichte, benötigt jedoch Kryotechnik und muss sorgfältig gehandhabt werden, um Verdampfungsverluste zu vermeiden. Die Wasserstoffbatterie verschiebt diesen Zielkonflikt: Sie nutzt mäßige Wärme und Strom, um Hydridionen zu bewegen und Wasserstoff mit hoher Kapazität in einem Feststoff zu speichern. Ohne kryogene Technik und Druckbehälter für sehr hohe Drücke lassen sich Sicherheitskonzepte vereinfachen und Nebenverbraucher reduzieren.

Andere Feststoffspeicher, etwa komplexe Hydride wie Alanate oder Borohydride, benötigen häufig Katalysatoren und arbeiten weiterhin bei hohen Temperaturen mit langsamer Reaktionskinetik. Magnesiumhydrid ist leicht und weit verbreitet. In Kombination mit einem schnell leitenden Hydridionenleiter ändert sich der geschwindigkeitsbestimmende Schritt. Der Elektrolyt übernimmt den Ionentransport, während die mäßige Erwärmung die chemischen Reaktionen bei der Wasserstoffaufnahme und -abgabe unterstützt. Diese Aufgabenteilung ermöglicht die volle Kapazität bei einer praktikablen Temperatur.

Worauf es in der nächsten Phase ankommt

Zu den nächsten Meilensteinen gehören eine unabhängige Reproduktion der Ergebnisse und die Hochskalierung über kleine Laborzellen hinaus. Zellen und Stapel in größeren Formaten müssen dieselbe Kapazität und Reversibilität sowie einen stabilen Betrieb über Hunderte oder Tausende Ladezyklen hinweg zeigen. Die Lade- und Entladeleistung bei hohen Raten, das Verhalten bei häufigem Ein- und Ausschalten sowie die Sicherheit unter Missbrauchsbedingungen werden von der Industrie genau beobachtet werden.

Kommerzielle Wege hängen oft von Partnerschaften ab. Automobilhersteller, Energieunternehmen und Industriegaslieferanten werden auf die Kosten pro Kilogramm gespeichertem Wasserstoff, den Gesamtwirkungsgrad beim Laden und Entladen sowie den Wartungsbedarf achten. Wenn sich die Herstellungsverfahren für den Elektrolyten und die Gehäusetechnik standardisieren lassen und sich eine lange Lebensdauer der Zellen bestätigt, könnte die Technologie in Pilotprojekten zum Einsatz kommen, die Elektrolyseure, Wasserstoffbatteriemodule und Brennstoffzellen unter realen Bedingungen kombinieren.

Wichtige Punkte

• Forschende in Japan berichten über eine Wasserstoffbatterie, die bei etwa 90 °C arbeitet. Das ist deutlich weniger als bei früheren Magnesiumhydridsystemen, die 300 bis 400 °C benötigten.
• Die Zelle nutzt Magnesiumhydrid als Anode, Wasserstoffgas als Kathode und einen Festelektrolyten, der Hydridionen schnell leitet.
• Der Elektrolyt Ba0.5Ca0.35Na0.15H1.85 hat eine Struktur vom Anti-Alpha-AgI-Typ, die eine hohe Ionenleitfähigkeit bei Raumtemperatur ermöglicht.
• Bei den Tests wurde die volle theoretische Kapazität von Magnesiumhydrid erreicht: etwa 2.030 mAh pro Gramm, entsprechend 7,6 Gewichtsprozent Wasserstoff.
• Der Betrieb unter 100 °C verringert Energieverluste und vereinfacht Wärmemanagement, Dichtungen und Sicherheitsmaßnahmen im Vergleich zu Systemen mit hoher Betriebstemperatur.
• Der reversible Ladezyklus ermöglicht wiederholtes Speichern und Freisetzen von Wasserstoff, ohne die extreme Hitze herkömmlicher thermischer Verfahren.
• Mögliche Anwendungen sind Speichermodule für Fahrzeuge, die mit Elektrolyseuren kombinierte Speicherung von Strom im Netzmaßstab und Pufferspeicher für die Industrie.
• Zu den zentralen Herausforderungen gehören Wärmemanagement, Schutz vor Luft und Feuchtigkeit, Lebensdauer, Herstellbarkeit und Systemintegration.
• Die Arbeit wurde von Dr. Takashi Hirose mit Assistenzprofessor Naoki Matsui und Institutsprofessor Ryoji Kanno am Institute of Science Tokyo geleitet.
• Die Ergebnisse wurden am 18. September 2025 in Science veröffentlicht. Als Nächstes stehen Reproduktion der Ergebnisse und Hochskalierungstests an.