Batterietechnik der Zukunft: Natrium vs. Lithium
Erste Natrium-Ionen-Batterien für Autos, Renaissance bei Natrium-Nickelchlorid und Potenzial von Natrium-Feststoffzellen: ein Blick in die Batterie-Zukunft.
(Bild: Erstellt mit Midjourney durch TR)
- Gregor Honsel
- Casey Crownhart
Die Visionen zur Batterie der Zukunft sind zweigeteilt: Auf der einen Seite steht die Hoffnung auf mehr Energie- und Leistungsdichte, auf der anderen Seite die auf weniger Kosten und weniger kritische Rohstoffe. Für die erste Vision stehen Lithium-Festkörperzellen, für die zweite Natrium-Batterien. Jüngste Entwicklungen machen nun Hoffnung, dass sich die Vorteile beider Technologien eines Tages miteinander verbinden lassen.
Natrium-Batterien an sich sind nichts Neues. Dahinter verbirgt sich allerdings ein ganzer Zoo an Konzepten, die bis auf den Ladungsträger Natrium nur bedingt etwas gemein haben.
Natrium-Nickelchlorid erlebt eine Renaissance
Ein Klassiker sind Natrium-Nickelchlorid-Batterien. Sie sind seit den 1980er Jahren bekannt und gelten als sicher, robust und preiswert. Allerdings haben sie eine mäßige Energiedichte und müssen bei Temperaturen von rund 250 bis 300 °C betrieben werden. Früher wurden sie unter dem Markennamen "Zebra" in E-Autos wie die frühen E-Smarts eingebaut. Weil sie praktisch immer am Netz hängen mussten, um ihre Temperatur zu halten, sind sie schnell wieder in der Versenkung verschwunden.
Im stationären Einsatz, etwa als Pufferspeicher für das Stromnetz, erleben sie allerdings gerade eine Renaissance. In diesem Jahr will das Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS) gemeinsam mit der Altech Batteries GmbH eine Batteriefabrik mit einem jährlichen Output von 100 Megawattstunden im sächsischen Schwarze Pumpe aufbauen.
"Die Schwestertechnologie Natrium-Schwefel gibt es schon länger im großen Maßstab, jedoch brennt diese Batterie, weswegen wir uns für Natrium-Nickelchlorid entschieden haben", sagt Roland Weidl, Standortleiter des Batterie-Innovations- und Technologie-Centers des IKTS. "Ein großer Kostenfaktor liegt in der Herstellung. Dort haben wir große Fortschritte gemacht, und durch das Upscaling gibt es eine weitere Kostenreduktion. Diese Batterie ist speziell für stationäre Energiespeicherung optimiert. Das ist der entscheidende Unterschied zu früher."
Die Batterien mit dem Markennamen Cerenergy bestehen aus Stahlzylindern, die gleichzeitig die negative Elektrode bilden. Darin sitzt als Elektrolyt ein keramisches Rohr, das für Natrium-Ionen durchlässig ist, aber nicht für Elektronen. Es ist mit einem Granulat aus Kochsalz und Nickel sowie mit geschmolzenem Chlor-Aluminat gefüllt, das den Kontakt zu den Elektroden herstellt. Innerhalb des Keramik-Rohrs befindet sich zudem die positive Elektrode. Beim Laden wandern die Natrium-Ionen des Salzes durch die Keramik und bilden dort eine Schicht aus geschmolzenem, metallischem Natrium. Die Chlorid-Ionen verbinden sich währenddessen mit dem Nickel zu Nickelchlorid. Beim Entladen geschieht der Prozess in umgekehrter Richtung. Je 40 dieser Stahlzylinder werden zu Modulen à zehn Kilowattstunden zusammengefasst.
Und vor allem: kein Lithium
Als Vorteil nennt Altech vor allem den Verzicht auf kritische Rohstoffe: kein Kobalt, kein Graphit, kein Kupfer, nur relativ wenig Nickel und vor allem: kein Lithium. Natrium ist – beispielsweise als Bestandteil von Kochsalz – überall reichlich vorhanden und kann, anders als Lithium, einfach und preiswert gewonnen werden. Zudem seien die Zellen mit einer geschätzten Lebensdauer von 15 Jahren robuster und rund 40 Prozent günstiger als vergleichbare Lithium-Ionen-Batterien.
Aber sind die Batterien wegen ihres hohen Temperaturniveaus nicht ziemlich ineffizient? "Die größten Batterien der Welt sind Batterien, die bei diesen Temperaturen arbeiten, es weiß nur meistens niemand", sagt Weidl. "Lithium-Ionen-Batterien muss man im Sommer kühlen und im Winter heizen, hier benötigt man eine Klimaanlage. Unsere Batterie muss man höchstens heizen, sie bleibt aber sehr lange auf der hohen Temperatur, durch den Betrieb und die Isolierung."
