Natrium-Ionen-Batteriezellen Goldgräberstimmung um das weiße „Gold“ der Energiebranche

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Seit einigen Jahren steigt das Interesse daran, Lithium in Batteriezellen durch ein kostengünstigeres und weniger seltenes Material zu ersetzen, nämlich Natrium. Unter Batterie-Herstellenden und -forschenden ist eine wahre Goldgräberstimmung ausgebrochen, wie jüngste Entwicklungen zeigen.

Lithium-Ionen-Batterien sind weitverbreitete wiederaufladbare Energiespeicher, die in einer Vielzahl von elektronischen Geräten wie Mobiltelefonen, Laptops, Elektrofahrzeugen und erneuerbaren Energiesystemen Verwendung finden. Diese Batterien verwenden Lithium als Hauptbestandteil in den Elektroden, wodurch sie eine höhere Energiedichte im Vergleich zu herkömmlichen Batterietechnologien aufweisen.

Der Hauptvorteil dieser Batterien liegt in ihrer hohen spezifischen Energie, ihrer geringen Selbstentladung und ihrer längeren Lebensdauer im Vergleich zu anderen Akkutechnologien. Trotz ihrer verbreiteten Anwendung stehen Forscher und Entwickler vor der Herausforderung, die Sicherheit und Umweltfreundlichkeit weiter zu verbessern und innovative Lösungen für die Energiespeicherung voranzutreiben.

Die Gewinnung von Lithium, Kobalt, Nickel und anderen Materialien, die in den Batterien verwendet werden, ist oft mit Umweltauswirkungen verbunden. Die begrenzten Verfügbarkeiten einiger Rohstoffe führen zu weiteren Herausforderungen, insbesondere wenn die Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien weiter steigt. Und das wird sie, so wird weltweit prognostiziert.

Im Vergleich zu altgedienten Batterietechnologien sind Li-Ionen-Batterien eine gute Entwicklung mit Blick auf Sicherheit und Umweltfreundlichkeit. Doch in den Augen vieler Forschenden und Herstellenden soll es in Zukunft noch besser gehen.

Auftritt Natrium

Natrium ist ein weitverbreitetes chemisches Element und eines der häufigsten Alkalimetalle auf der Erde. Es ist in vielen natürlichen Ressourcen vorhanden, primär in Form von Natriumchlorid (Kochsalz), das in großen Mengen in Meeren, Salzseen und Gesteinen vorkommt. Die weltweite Verfügbarkeit von Natrium ist daher enorm.

Die Hauptquellen für Natrium sind Meereswasser, Salzseen und mineralreiche Gesteine wie Halit (Steinsalz) und Sylvin. Natrium kann auch als Nebenprodukt bei der Gewinnung von Lithium aus Lithiumsole vorkommen. Halten wir also fest: Im Vergleich zu Lithium, das vorwiegend in Südamerika, Australien, China und in einigen anderen Regionen vorkommt, ist Natrium weltweit geradezu im Überfluss vorhanden. Das macht es sehr viel weniger wahrscheinlich, dass Natrium etwa als politisches Druckmittel eingesetzt werden kann. Auf jeden Fall ist es wesentlich günstiger zu erhalten als Lithium. Ist Natrium also ein adäquater Ersatz? Ja? Nein? Jein?

Tausche Lithium gegen Natrium

Chemisch betrachtet gehören sowohl Lithium als auch Natrium zur Gruppe der Alkalimetalle. Beide Elemente haben ähnliche chemische Eigenschaften, aber es gibt Unterschiede, die bei der Nutzung für Energiespeicher, insbesondere in Batterien, relevant sind.

• Lithium verfügt im Vergleich zu Natrium über eine höhere elektrochemische Spannung, was Li-Ionen-Batterien leistungsfähiger und leichter macht. Natrium-Ionen-Batterien bieten hingegen eine niedrigere spezifische Energie.

• Lithium-Ionen sind kleiner und leichter als Natrium-Ionen. Die Effizienz bei der Wanderung der Ionen im Batterieelektrolyten trägt zu einer erhöhten Leistungsfähigkeit bei.

• Lithium-Ionen-Batterien neigen im Vergleich zu den Natrium-Ionen-Batterien zu einer besseren zyklischen Stabilität, sodass sie eine höhere Anzahl an Lade- und Entladezyklen überstehen.

Lithium-Ionen-Batterien werden oft für Anwendungen bevorzugt, bei denen hohe spezifische Energie und geringes Gewicht von entscheidender Bedeutung sind, wie in Elektrofahrzeugen. Natrium-Ionen-Batterien werden hingegen oft für Anwendungen in Betracht gezogen, bei denen Kosten eine entscheidende Rolle spielen, wie in der stationären Energiespeicherung für erneuerbare Energiesysteme.

Und weil viele Regierungen weltweit aufgrund des Klimawandels den Umstieg auf erneuerbare Energien forcieren möchten, sind Batteriegroßspeicher vonnöten. Diese geben die gespeicherte Energie dann ab, wenn sie benötigt wird, und sorgen obendrein für Stabilität im Stromnetz.

Batteriegroßspeicher 

Bislang größter Batteriespeicher Deutschlands genehmigt

Natrium-Ionen-Batterien klingen wie eine ideale Lösung für diese Energiespeicher, die weltweit errichtet werden. Kein Wunder, dass sich die Neuigkeiten betreffend Investitionen und Erfolgsmeldungen rund um die Natrium-Ionen-Batteriezelle überschlagen. Nachfolgend ein kleiner Überblick.

Die Natrium-Ionen-Batterie und Entwicklungen um die Spitzenenergiedichte

Der schwedische Batteriehersteller Altris, der sich auf Natrium-Ionen-Batterien fokussiert, hat jüngst von der schwedischen Energie-Agentur Energimyndigheten im Rahmen der Programme Industrial Leap und NextGenerationEU Fördergelder erhalten, um eine Pilotanlage zur Herstellung von Na-Ionen-Batteriezellen aufzubauen. Umgerechnet knapp 7 Millionen Euro werden dem Unternehmen zur Verfügung gestellt, wie am 11. Januar 2024 bekannt gemacht wurde. Erst im November 2023 präsentierte Altris eine Natrium-Ionen-Batteriezelle, die eine validierte Spitzenenergiedichte von über 160 Wh/kg aufweist. Dies macht sie wirtschaftlich tragfähig für Anwendungen wie nachhaltige Energiespeichersysteme.

An der Universität Bayreuth wurde unter Mitwirkung von Dr. Qingsong Wang, Nachwuchsgruppenleiter am Lehrstuhl für Anorganische Aktivmaterialen für elektrochemische Energiespeicher, eine Natrium-Ionen-Batterie mit langen Zyklen und hoher Energie entwickelt, die mit 165 Wh/Kg validiert wurde. Die Forscher haben dies unter anderem durch die Anpassung des Phasenwachstums der geschichteten Oxidkathode erreicht. Die Studie des internationalen Teams wurde jüngst in Nature Energy veröffentlicht, wie am 12. Januar 2024 mitgeteilt wurde.

Der indische Entwickler KPIT sucht nach einem Partner, um die eigenen Na-Ionen-Batterien in die Herstellung zu bringen. Die am 12. Dezember 2023 vorgestellte Batterie-Technologie punktet den Leuten von KPIT zufolge mit 80 Prozent Kapazitätserhalt für 3.000 bis 6.000 Lade- und Entladezyklen. Es gibt mehrere Varianten der Batterien mit einer Energiedichte von 100 bis 170 Wh/kg. Die Batterien laden schneller als herkömmliche Li-Ionen-Batterien, und obendrein zeichnet sich die KPIT-Technologie mit einer hohen Toleranz gegenüber Sub-Zero-Temperaturen sowie einer hohen Hitzebeständigkeit aus.

Und im November 2023 präsentierten auch die Speicher-Experten des schwedischen Unternehmens Northvolt eine eigene Natrium-Ionen-Batteriezelle.  Die Zelle wurde für eine Spitzenenergiedichte von über 160 Wh/kg validiert.

Es tut sich eine ganze Menge, und das ist wirklich nur ein kurzer Auszug. Und auch mit Blick auf die Kommerzialisierung der Batterietechnologie geschieht einiges.

Die Kommerzialisierung der Natrium-Ionen-Batterie

Der chinesische E-Fahrzeug-Hersteller BYD hat am 4. Januar 2024 den ersten Spatenstich für seine erste Fabrik für Natrium-Ionen-Batterie getan (via CNevPost). BYD investiert Berichten zufolge 10 Millionen Renminbi in die Fabrik in der Provinz Jiangsu. Die Natrium-Ionen-Batterien, die in dieser Fab hergestellt werden, sollen eine jährliche Kapazität von 30 GWh erreichen.

Auch der US-Hersteller Acculon (via PV Magazine) hat mit der Serienherstellung von Na-Ionen-Batterieprodukten begonnen, wie am 11. Januar 2024 gemeldet wurde. Man rechnet damit, dass bis Mitte 2024 eine Produktionskapazität von 2 GWh erreicht wird.

Na-Ionen-Batterien werden zwar häufiger mit Energiespeicherung in Verbindung gebracht und weniger oft mit E-Autos. Dass Na-Ionen-Batterien aber auch im Fahrzeugumfeld funktionieren können, zeigten im Dezember 2023 weitestgehend unbeachtet die Leute von Hina Battery und JAC. Denn am 27. Dezember 2023 soll erstmals ein Modell der E-Automarke Yiwei vom Band gerollt sein. Im Fahrzeug verbaut: eine Natrium-Ionen-Batterie.

Einen spannenden Überblick über die relativ aktuelle Lage hinsichtlich der Forschung und Kommerzialisierung der Natrium-Ionen-Batterie erhalten Sie übrigens aus dem Umfeldbericht der Fraunhofer-Einrichtung Forschungsfertigung Batteriezelle FFB aus Oktober 2023, sofern Sie mehr über das Thema erfahren möchten. (sb)

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