Akku-Technologie Natrium als kostengünstige Alternative zu Lithium

Prognosen sagen einen riesigen Bedarf an Batterie-Farmen für die Speicherung erneuerbarer Energien voraus. Li-Ion-Batterien könnten Spitze bleiben, wenn es um schiere Leistung geht. Geht es aber um Kosten pro Speicher, könnte ein Design der Stanford University basierend auf Natriumionen besser sein.

Die globale Erwärmung führt zu einer Abkehr von fossilen Brennstoffen hin zu erneuerbarer Solar- und Windenergie. Dadurch sind aber riesige Batterie-Farmen nötig, um Energie zur Verfügung zu stellen, wenn der Himmel dunkel ist und kein Wind geht. Vor diesem Hintergrund haben Forscher der Stanford University eine natriumbasierte Batterie entwickelt, die bei wesentlich geringeren Kosten die gleiche Energiemenge speichern kann als eine moderne Li-Ion-Batterie.

Zwar sind die Chemieingenieurin Zhenan Bao und ihre Fakultätskollegen, die Materialwissenschaftler Yi Cui und William Chueh, nicht die ersten, die eine Natriumionenbatterie entwickeln. Aber sie glauben, dass ihr Ansatz die Voraussetzungen für eine Batterie mitbringt, die bei gleicher Speicherkapazität weniger als 80 Prozent einer Lithium-Ionen-Batterie kostet. Diesen Ansatz beschreiben sie in einem Paper, der in der Zeitschrift Nature Energy erschienen ist

»Gut möglich, dass nichts jemals Lithium in der Leistung übertreffen können wird«, meint Prof. Bao. »Aber Lithium ist so selten und teuer, dass wir Hochleistungsbatterien entwickeln müssen, die auf reichlich vorhandenen Elementen wie Natrium basieren.« Denn die Kosten für Lithium betragen etwa 15.000 US-Dollar pro Tonne zum Abbau und zur Veredelung Natrium nur 150 Dollar pro Tonne.

In dem verwendeten Natriumsalz bildet Natrium den einen Partner, ein Molekül namens Myo-Inositol den anderen. Dieses kommt beispielsweise in Babynahrung vor und stammt von Reiskleie oder ist ein flüssiges Nebenprodukt aus dem Mahlen von Korn. Ausschlaggebend für die Idee, die Kosten von Batteriematerialien zu senken, ist, dass Myo-Inositol eine in der Industrie bekannte, reichlich vorhandene organische Verbindung ist. Das Natriumsalz bildet die Kathode. Die interne Chemie der Batterie transportiert diese Elektronen zur Anode, die in diesem Fall aus Phosphor besteht. Je effizienter die Kathode diese Elektronen gegen die Anode hin- und her bewegt, desto besser arbeitet die Batterie. Für den Prototyp verbesserten der Postdoktorand Min Ah Lee und das Stanford-Team, wie Natrium und Myo-Inositol diesen Elektronenfluss ermöglichen. Dies steigerte die Leistung dieser Natriumionenbatterie gegenüber früheren Versuchen deutlich.

Außerdem optimierte das Team den Lade/Entlade-Zyklus der Batterie, also wie effizient die Batterie zum Beispiel den Strom von einer Solaranlage auf dem Dach speichert, und wie effektiv sie gespeicherte Energie liefert, um beispielsweise nachts die Hausbeleuchtung zu betreiben.

Bislang konzentrierten sich die Forscher vor allem auf die günstigen Kosten-Leistungs-Vergleiche zwischen ihrer Natrium- und einer modernen Lithium-Ionen-Batterie. In Zukunft müssen sie die volumetrische Energiedichte betrachten, wie groß also eine Natriumionenbatterie zu sein hat, um die gleiche Energie zu speichern wie ein Lithium-Ionen-System. Auch möchten sie die Anode ihrer Natriumionenbatterie optimieren.