Natriumbatterien: die Technologie der Zukunft?

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.

Abbildung entnommen aus Daniel, C.; Besenhard, J.O. Handbook of Battery Materials; John Wiley & Sons: Weinheim, Deutschland, 2012

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.

Vor- und nachteile von natriumbatterien

Die erneute Konzentration auf Natriumbatterien ist vor allem auf die Notwendigkeit zurückzuführen, nach konkreten Alternativen zu Lithium zu suchen, und zwar für alle Anwendungen, bei denen es möglich ist, einen Teil der Produktion zu differenzieren.

Obwohl Lithium in der Natur in vielen Gesteinen und einigen Solen vorkommt, ist es in der Erdkruste nicht unerschöpflich, und darüber hinaus ist die Gewinnung mit dem Einsatz von Ressourcen und Energie verbunden.

Die große Nachfrage nach diesem Material in Verbindung mit seiner begrenzten Verfügbarkeit in der Natur hat zu einer Verteuerung des Rohmaterials geführt, sodass es sich die Bezeichnung „weißes Gold‟ verdient hat. Mit Blick auf die Zukunft wird die Nachfrage nach Lithiumbatterien weiter steigen, was die Frage nach der Verfügbarkeit von Rohstoffen und der Nachhaltigkeit einer ausschließlich auf dieser Chemie basierenden Wirtschaft aufwirft.

Es liegt auf der Hand, dass die Erzielung der besten Leistung unter Berücksichtigung der beabsichtigten Anwendung der Technologien ein nicht zu vernachlässigender Aspekt bei der Suche nach alternativen chemischen Verfahren ist.

Können Natriumbatterien eine brauchbare Alternative zu Lithiumbatterien sein? Lassen Sie uns die Vor- und Nachteile von Natriumbatterien im Detail analysieren.

Vorteile einer Natriumbatterie

• Gute Verfügbarkeit
• Geringe Kosten
• Sicherheit
• Beständigkeit gegen niedrige Temperaturen
• Geringe Umweltbelastung

Einer der interessantesten Aspekte dieser Technologie ist die breite Verfügbarkeit der Rohstoffe in der Natur: Natrium ist das sechsthäufigste Element in der Erdkruste. Diese Eigenschaft macht Natriumbatterien wirtschaftlich wettbewerbsfähig, ein wichtiger Aspekt für die Hersteller.

Die Natriumbatterie garantiert auch hohe Sicherheitsstandards, da die auf diesem chemischen Element basierenden Zellen nicht entflammbar sind und nicht zu Explosionen oder Kurzschlüssen neigen; sie können auch kalten Temperaturen standhalten, da sie in einem Temperaturbereich von -20 bis 60 °C betrieben werden können, während das Optimum für Lithiumzellen in einem Betriebsbereich von 0° bis 50° liegt.

Die leichte Auffindbarkeit von Rohstoffen in der Natur, die niedrigen Extraktionskosten und der begrenzte Energieverbrauch machen Natrium schließlich zu einem umweltfreundlichen Material.

Grenzen einer Natriumbatterie

• Geringe Energiedichte
• Kurze Lebensdauer

Einer der Hauptnachteile von Natriumbatterien ist die Energiedichte, d. h. die Menge der gespeicherten Energie im Verhältnis zum Volumen der Batterie: Natriumbatterien haben immer noch eine recht geringe Dichte, zwischen 140 Wh/Kg -160 Wh/kg, im Vergleich zu 180 Wh/Kg – 250 Wh/Kg bei Lithium-Ionen-Batterien.

Ein weiterer sehr wichtiger Aspekt bei der Auswahl von Natriumbatterien ist derzeit die kurze Lebensdauer. Der schnelle Abbau wird durch die Masse der Natriumionen verursacht, die etwa 3 Mal so groß ist wie die der Lithiumionen. Bei der Verschiebung zwischen Anode und Kathode erzeugen die Natriumionen eine erhöhte mechanische Spannung, die nach einigen Zyklen zur schnellen Zerstörung des Graphits, des anodischen Materials, führt.

Wichtigste anwendungen: wo ist es vorteilhaft, eine natriumbatterie zu verwenden?

Natriumbatterien könnten sich als Alternative zu Lithiumbatterien für Anwendungen erweisen, bei denen der wirtschaftliche Faktor wichtiger ist als eine hohe Leistung.

Aufgrund ihrer niedrigen Kosten und ihrer geringen Energiedichte eignen sich Natrium-Ionen-Batterien besonders für stationäre Anwendungen und Energiespeichersysteme, wie z. B. Photovoltaik- und Windkraftanlagen mit intermittierender Erzeugung. Aufgrund ihrer hohen Sicherheit eignen sich Na-Ionen-Geräte für diese Art von Anwendungen, die häufige stündliche und tägliche Lade- und Entladezyklen erfordern.

Derzeit ist die Natrium-Ionen-Technologie in diesem Bereich nicht besonders beliebt, da sie aufgrund ihrer kurzen Zyklusdauer die für diese Anwendungen erforderliche hohe Anzahl von Lade- und Entladezyklen nicht erfüllen kann. Wenn die Natriumzellen im Laufe der Forschung auch in Bezug auf die Zyklusdauer wettbewerbsfähig werden, könnten sie durchaus eine brauchbare Technologie für stationäre Anwendungen sein.

Wie sehen die Zukunftsaussichten für die Natrium-Ionen-Technologie aus?

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.