Schwerpunkte

Marktreife Natrium-Ionen-Batterie

Beginn des Post-Lithium-Zeitalters

30. August 2021, 15:30 Uhr   |  Engelbert Hopf, Ralf Higgelke

Beginn des Post-Lithium-Zeitalters
© CATL

Lithium-Ionen-Batterien waren bislang untrennbar der Elektromobilität verbunden. Das könnte sich nun ändern, denn CATL hat eine marktreife Natrium-Ionen-Batterie vorgestellt. Markt&Technik befragte Experten aus Wissenschaft und Industrie nach ihrer Einschätzung.

Post-Lithium-Batterien, die eine Alternative zu Lithium-Ionen-Systemen darstellen, waren bislang nur ein Versprechen aus den Forschungslaboren. Seit wenigen Wochen ist das nun anders. Dr. Robin Zeng, Chairman des größten chinesischen Batterieproduzenten, Contemporary Amperex Technology, kurz CATL, stellte auf einer Technologiekonferenz seines Unternehmens die erste Generation marktreifer Natrium-Ionen-Batterien vor. Sie bieten eine Energiedichte von 160 Wh/kg; ihre industrielle Einführung hat bereits begonnen.

Natrium-Ionen-Batterien arbeiten nach einem ähnlichen Funktionsprinzip wie Lithium-Ionen-Batterien. Im Rocking-Chair-Prinzip wandern Natrium-Ionen zwischen der Anode und Kathode der Zelle hin und her. Da Natrium-Ionen größer sind als Lithium-Ionen, sind die Anforderungen an die strukturelle Stabilität und die kinetischen Eigenschaften der Materialien höher. Dies hemmte bislang die Industrialisierung von Natrium-Ionen-Batterien. CATL verwendet nun als Kathoden Preußisch Weiß mit hoher spezifischer Kapazität und hat die Struktur des Materials zusätzlich durch eine Neuanordnung der Elektronen umgestaltet. Auf diese Weise lässt sich der rasche Kapazitätsschwund beim zyklischen Laden und Entladen lösen.

Für die Anode hat das Unternehmen ein Hartkarbonmaterial entwickelt, das sich durch eine besondere poröse Struktur auszeichnet. Dadurch lassen sich Natrium-Ionen im großen Umfang speichern und schnell transportieren, auch die Zyklenfestigkeit wird auf diese Weise verbessert. Aktuell liegt die Energiedichte der Zellen bei 160 Wh/kg. Bei Raumtemperatur lassen sich die Zellen in 15 Minuten auf 80 Prozent aufladen. Darüber hinaus können die Zellen bei einer Umgebungstemperatur von –20 °C ihre Kapazität zu mehr als 90 Prozent erhalten. Dr. Zeng kündigte an, dass CATL im nächsten Schritt die Energiedichte der Zellen auf 200 Wh/kg steigern werde. Das entspräche dann der aktuellen Energiedichte von Lithium-Ionen-Zellen.

Jossen_Andreas
© TU München

Prof. Dr.-Ing. Andreas Jossen, TU München: »Leider ist die Natrium-Ionen-Batterietechnologie in Deutschland und Europa stiefmütterlich behandelt worden, daher gibt es bei uns nicht so viele Forschungsaktivitäten hierzu.«

»Der Vorstoß von CATL könnte der Durchbruch für die Natrium-Ionen-Batterietechnologie sein«, bewertet Prof. Dr.-Ing. Andreas Jossen, Inhaber des Lehrstuhls für Elektrische Energiespeichertechnik an der Technischen Universität München. »In der Vergangenheit wurden allerdings nur Energiedichten von rund 100 Wh/kg erreicht, sodass die Technologie nicht für Elektrofahrzeuge beachtet wurde.« Neben dem Umstand, dass sich existierende Fertigungslinien für Lithium-Ionen-Zellen auf Natrium-Ionen-Zellen umrüsten lassen, wie CATL ankündigt, sprechen für die Natrium-Ionen-Technologie als preiswertere Alternative zu Lithium-Ionen-Systemen aus Sicht von Prof. Jossen vor allem auch der Einsatz preiswerter Materialien – so kann auf Kupfer, Kobalt, Nickel und Lithium verzichtet werden – sowie weniger energieaufwändige Herstellungsprozesse (Graphit). Einziger Nachteil bisher: Es wären etwa 30 Prozent mehr Bauraum für die Batterie notwendig.

In Deutschland und Europa, so Prof. Jossen, »wurde die Natrium-Ionen-Technologie jedoch bislang etwas stiefmütterlich behandelt, daher gibt es nicht so viele Forschungsaktivitäten dazu«. Eine Einschätzung, die Dr. Ulrike Wunderwald, Leiterin der Arbeitsgruppe Batteriematerialien des Fraunhofer IISB in Freiberg, teilt: »Mit der Natrium-Ionen-Technologie haben wir uns bisher noch nicht eingehend beschäftigt.« In Freiberg arbeitet man aktuell an Aluminium-Ionen-Batterien als potenziellem Nachfolger der Lithium-Technologie. In Laborsystemen wurde mit Graphitpulver als Kathode bereits eine Energiedichte von 135 Wh/kg in Bezug auf die Aktivmasse erreicht. Für Natrium- wie Aluminium-Systeme gilt aus ihrer Sicht: »Aufgrund des prognostizierten enormen Bedarfs an elektrischen Speichern werden alternative Batterietechnologien gefragt sein, die auf gut verfügbaren und kostengünstigen Materialien basieren.« Sie zeigt sich auch davon überzeugt, »dass eine kostengünstigere Technologie bei gleicher oder nur geringfügig kleinerer Leistung immer die Chance hat, Marktanteile anderer Technologien zu übernehmen«.

Seite 1 von 2

1. Beginn des Post-Lithium-Zeitalters
2. "Reichlich vorhandene und kostengünstige Rohstoffe..."

Auf Facebook teilen Auf Twitter teilen Auf Linkedin teilen Via Mail teilen

Verwandte Artikel

KIT - Karlsruher Institut für Technologie, TU MÜnchen, Elektr. Energiespeichertechnik und andere Fachbereiche, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien u. Energie GmbH, Fraunhofer IISB (Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie), Yole Développement, Panasonic Industrial Europe GmbH, Yuasa Battery (Europe) GmbH, TEFAG ELEKTRONIK AG, ZVEI Zentralverband Elektrotechnik und Elektronikindustrie e.V., AKASOL GmbH