Natriumbatterien: die Technologie der Zukunft?
26 Juli 2023
Die Technologie entwickelt sich im Batteriesektor ständig weiter und die Suche nach effizienteren und leistungsfähigeren Technologien, die dem Markt einen Mehrwert bringen können, ist ständig im Gange.
In den letzten Jahren haben Natrium-Ionen-Batterien am meisten Interesse auf sich gezogen, insbesondere aus ökonomischen Gründen.
Wir haben darüber in Folge 20 unseres Battery Weekly 2023 gesprochen, unserer wöchentlichen Kolumne aus der Welt der Batterien, in der unsere Experten Marco Righi, Alan Pastorelli und Daniele Invernizzi die starken Wachstumstrends der Natriumbatterien und die Grenzen analysiert haben, die derzeit ihre großflächige Verbreitung verhindern.
Obwohl der Einsatz von Natrium-Ionen-Batterien sowohl im Bereich der Energiespeicherung als auch der Elektromobilität rasch zunehmen dürfte, ist es wichtig zu betonen, dass diese Batterien noch einige Einschränkungen aufweisen, die gelöst werden müssen, bevor sie für eine breite Palette von Anwendungen vermarktet werden können.
Lassen Sie uns gemeinsam herausfinden, was Natriumbatterien sind und welche Eigenschaften sie haben.
Was Natriumbatterien sind und wie sie funktionieren: Gemeinsamkeiten und Unterschiede zu Lithiumbatterien
Natrium gehört wie Lithium zu den Alkalimetallen und ist in der ersten Gruppe des Periodensystems zu finden.
Ein Blick auf das Periodensystem zeigt, dass die beiden Metalle in der ersten Spalte genau untereinander stehen, weshalb sie bestimmte chemische und physikalische Eigenschaften gemeinsam haben.
Gerade wegen der Ähnlichkeit bestimmter Eigenschaften wurden zwischen 1970 und 1990 die ersten Studien über Natriumbatterien zeitgleich mit denen über Lithiumbatterien durchgeführt, mit dem Unterschied, dass Lithiumbatterien erfolgreicher waren und vermarktet wurden, während die Entwicklung von Natriumbatterien auf Eis lag.
Was haben Natrium- und Lithiumbatterien gemeinsam?
Das Funktionsprinzip von Natrium-Ionen- und Lithium-Ionen-Batterien ist praktisch identisch, und viele der in der Natrium-Ionen-Technologie verwendeten Elektrodenmaterialien wurden aus der Lithium-Ionen-Technologie übernommen.
Bei beiden Technologien sind Ionen für den Transport und die Speicherung von Energie verantwortlich. Natriumionen wandern während der Ladephase durch den elektrischen Strom von der positiven Elektrode, der Kathode, zur negativen Elektrode, der Anode, durch den Elektrolyten und den Separator. Bei der Entladung kehren die Ionen zur Kathode zurück, und ein Elektronenstrom fließt im äußeren Stromkreis in entgegengesetzter Richtung zur Ladung.
Die Kathode ist der positive Pol der Batterie, bestehend aus Kathodenmaterial (z. B. LFP, NMC) und Stromkollektor, während die Anode der negative Pol der Batterie ist, bestehend aus Anodenmaterial (z. B. Kohlenstoff oder Graphit) und Stromkollektor.
Eine Natriumzelle besteht im Wesentlichen aus einer Kathode aus einem Material, das Natrium enthalten kann, einer Anode, die im Allgemeinen aus Kohlenstoff besteht, und einem flüssigen Elektrolyten, der Natriumatome in ionischer Form enthält. Der Elektrolyt ist die organische Flüssigkeit, die das innere Volumen der Zelle ausfüllt, als Bindeglied zwischen Kathode und Anode fungiert und die Bewegung der Ionen ermöglicht.
Welche Unterschiede gibt es zwischen Natrium- und Lithiumbatterien?
Aus rein chemischer Sicht gibt es einige wesentliche Unterschiede zwischen den beiden Elementen: Das Natriumkation hat einen um 0,3 Å größeren Atomradius als sein Lithium-Gegenstück. Das bedeutet, dass es mehr als das Dreifache des Atomgewichts und der Atommasse von Lithium hat.
Diese Eigenschaft führt zu erheblichen technischen Problemen, die es zu lösen gilt: Die Masse des Natriumatoms, die dreimal so groß ist wie die von Lithium, führt bei der Bewegung zwischen Anode und Kathode zu einer größeren mechanischen Belastung, die zu einer starken Degradation der Zelle führt.
Dies hat zur Folge, dass Natriumbatterien eine kürzere Lebensdauer haben und weniger gut funktionieren als Lithiumbatterien, weil Graphit, die Anode, die am häufigsten mit Lithium verwendet wird, mit den Natriumionen interagiert und irreversible Abblätterungsreaktionen durchläuft, sodass sie sich bereits nach wenigen Zyklen selbst zerstören.
Einer der komplexesten Aspekte für den Erfolg einer Natriumbatterie ist daher die Identifizierung einer geeigneten negativen Elektrode, um Graphit zu ersetzen und in Verbindung mit Natrium die Lebenszyklen der Batterie zu erhöhen.
Das Natrium-Ion hat auch ein niedrigeres Standard-Reduktionspotenzial als Lithium, d. h. eine geringere Neigung, Elektronen aufzunehmen. Infolgedessen liefert eine Natriumbatterie eine niedrigere Höchstspannung als eine Lithiumzelle: Die Nennspannung der Natriumzelle beträgt 2,3 – 2,5 V im Vergleich zu 3,2 – 3,7 V bei Lithium. Wenn man davon ausgeht, dass die elektrochemischen Prozesse in Natrium-Ionen- und Lithium-Ionen-Batterien gleich sind, tragen Natrium und Lithium die gleiche Ladung, aber bei gleichem Gewicht trägt eine Natriumbatterie weniger Ladung als eine Lithiumbatterie, d. h. sie hat eine geringere Energiedichte.
Die Kombination dieser beiden Eigenschaften bedeutet, dass die Energiemenge, die eine Natriumbatterie speichern kann, etwa 40 % geringer ist als die einer Lithiumbatterie.
“Natriumbatterien sind derzeit aufgrund ihrer geringen Energiedichte weniger leistungsfähig, stellen aber für alle Anwendungen, bei denen keine hohe Leistung erforderlich ist, eine echte Alternative zu Lithium dar. Dies ist entscheidend, um den Anforderungen eines wachsenden Marktes gerecht zu werden, der noch weiter wachsen wird. Es ist wichtig, in die Zukunft zu blicken und in der Lage zu sein, die Nachhaltigkeit der Versorgungskette zu gewährleisten, Lithium in Anwendungen zu verwenden, in denen es unverzichtbar ist, und nach Technologien zu suchen, die es uns ermöglichen, einen Teil der Produktion zu differenzieren und uns nicht ausschließlich auf Lithium zu verlassen, um alle Elektrifizierungsanforderungen zu erfüllen.”
Für den Natrium-Ionen-Batteriemarkt wird in den nächsten 10 Jahren ein jährliches Wachstum von 27 % prognostiziert. Es wird davon ausgegangen, dass die jährliche Produktion von 10 GWh im Jahr 2025 auf rund 70 GWh im Jahr 2033 ansteigen wird, was einer Steigerung von praktisch 600 % entspricht.
Der Einsatz der Natrium-Ionen-Technologie könnte noch dadurch gefördert werden, dass viele der Produktionstechnologien für Natrium-Zellen mit denen für Lithium-Ionen-Zellen übereinstimmen, was die Möglichkeit der Umstellung von Anlagen bietet und die Produktionskosten weiter begrenzt.
Obwohl Natrium-Ionen-Batterien noch einige Einschränkungen aufweisen, die es zu überwinden gilt, ist das Interesse an diesen Batterien in der Welt der Elektrifizierung so groß, dass sich auch einige große internationale Akteure der Batterieproduktion dieser Technologie zugewandt haben.
Vor allem der Automobilsektor betrachtet Natriumbatterien mit Interesse.
Die Natrium-Ionen-Chemie wurde im Jahr 2021 von CATL, dem weltweit größten Hersteller von Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge und Energiespeichersysteme, wieder ins Rampenlicht gerückt.
Der chinesische Riese hat nämlich erkannt, dass die Ersetzung eines Teils des von Lithium-Ionen-Batterien besetzten Marktes durch Natrium-Ionen-Batterien erhebliche Vorteile bei der Senkung des Preises von Lithium-Ionen-Batterien mit sich bringen würde.
Die innovative Idee von CATL, die entwickelt wurde, um die Einschränkungen von Natriumbatterien zu überwinden, besteht in der Entwicklung eines hybriden Batteriepakets, bei dem Natrium-Ionen- und Lithium-Ionen-Batterien in einem bestimmten Verhältnis gemischt und in ein einziges Batteriesystem integriert werden und die verschiedenen Batteriesysteme durch ein intelligentes BMS gesteuert werden. Das Fahrzeug könnte je nach Bedarf die Tieftemperaturleistung der Natrium-Ionen-Batterie oder die hohe Energiedichte nutzen. Das Projekt befindet sich noch im Versuchsstadium, aber das chinesische Unternehmen hat bereits die Aufmerksamkeit der gesamten Branche auf sich gezogen.
Trotz einiger kritischer Fragen, die noch gelöst werden müssen, nimmt die Natriumionentechnologie einen immer wichtigeren Platz auf dem Markt ein. Wie bei anderen aufstrebenden Technologien, z. B. den Feststoffbatterien, ist die Forschung in ständiger Bewegung und investiert große Ressourcen, um die Grenzen zu überwinden, die bisher ihre weitere Verbreitung verhindern. Die Markteinführung dieser Technologie könnte allen Sektoren wie der Energiespeicherung, in denen die Energiedichte dem wirtschaftlichen Faktor untergeordnet ist und die derzeit ausschließlich auf Lithiumbatterien angewiesen sind, echte Vorteile bringen.
