Seite 2: Natrium: "Die Chemie ist ähnlich wie bei Lithium"

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Explizit für den mobilen Einsatz ausgelegt sind hingegen Natrium-Ionen-Batterien. Sie funktionieren ähnlich wie ihre Lithium-Geschwister, allerdings mit Unterschieden an den Elektroden. Bei herkömmlichen Lithium-Ionen-Zellen besteht die Anode üblicherweise aus Graphit, also aus regelmäßig strukturierten Kohlenstoff-Schichten. In diesen Schichten finden die Ionen gewissermaßen Unterschlupf. Da aber Natrium-Ionen größer sind, passen sie, vereinfacht gesagt, nicht mehr dazwischen. Für Natrium-Ionen braucht es deshalb eine Anode aus "amorphen" Kohlenstoff ("Hard Carbon"). Er kann aus nahezu beliebigen organischen Abfällen hergestellt werden, auch aus Nahrungsresten. Hier sind die Kohlenstoff-Moleküle ungeordnet aufeinander gestapelt, wodurch sich größere Lücken für die Ionen ergeben. Für die Kathode wird meist der Farbstoff Preußisch Weiß oder Preußisch Blau verwendet.

Im März veröffentlichte der chinesische Autobauer JAC Motors die Fotos des nach eigenen Angaben weltweit ersten Kleinwagens mit Natrium-Ionen-Batterie. Sie stammt vom chinesischen Herstellers HiNa Battery und hat eine Kapazität von 25 Kilowattstunden. Laut Pressemitteilung beträgt die Reichweite bis zu 250 Kilometer. Und im April gab CATL, der weltweit größte Hersteller von Traktionsbatterien, bekannt, eine Natrium-Ionen-Batterie beim Hersteller Chery einsetzen zu wollen. Und auch BYD will ins Natrium-Geschäft einsteigen.

Was ist das Geheimnis von CATL? Haben die anderen Hersteller geschlafen? "Die Chemie ist ähnlich wie bei Lithium. Im Labor können wir das ganz einfach nachbauen", sagt Martin Oschatz, Professor am Institut für Technische Chemie und Umweltchemie der Uni Jena. "CATL waren eben schlau, sie haben den Markt besser eingeschätzt. Und sie waren die ersten, die es in Großserie so zusammengebaut haben, dass es passt."

Natrium-Festkörper kommen ins Spiel

Allerdings haben weder CATL noch HiNa bisher einen Zeitplan für die Produktion oder detaillierte Leistungszahlen veröffentlicht. "Sie machen recht interessanten Ankündigungen", sagt Andy Leach, Analyst für Energiespeicherung bei Bloomberg New Energy Finance (BNEF). "Aber es fehlen noch viele Details."

Weil Natrium-Atome (Ordnungszahl 11) schwerer sind als Lithium-Atome (Ordnungszahl 3), werden Natrium-basierte Zellen im Highend-Bereich bei der Energiedichte wohl immer rund 20 Prozent unter den besten vergleichbaren Lithium-Zellen bleiben. Hier kommen nun die Festkörperzellen ("All Solid State") ins Spiel. Bei ihnen enthält die Anode gar keinen elektrochemisch passiven Kohlenstoff mehr, sondern nur noch reine Ladungsträger in Form von metallischem Natrium beziehungsweise Lithium. Entsprechend höher ist ihre Energiedichte. CATL hat kürzlich einen solchen Akku auf Lithium-Basis vorgestellt, dessen Energiedichte von 500 Wh/kg selbst für Elektroflugzeuge taugen soll.

Wie der Name schon sagt, enthalten solche Zellen weder flüssige Elektrolyte noch Elektroden, sondern ausschließlich feste Stoffe. Das bedeutet auch: Es fehlt eine Flüssigkeit, die alle Poren durchdringen und so alle Komponenten miteinander verbinden kann. Und genau darin liegt das Problem: Wie lassen sich die Zellen so herstellen, dass eine robuste und haltbare Kontaktfläche zwischen den Feststoffen entsteht?

"Durch verfeinerte Analysemethoden ist das Verständnis über die Vorgänge an den Grenzflächen gewachsen, was zu einer verbesserten Zyklenstabilität geführt hat", sagt Micha P. Fertig vom IKTS. Beim Material für die Festkörper-Elektrolyte sind Oxide, Sulfide und Polymere im Spiel – mit jeweils eigenen Vor- und Nachteilen. Bestimmte Werkstoffe haben beispielsweise eine gute Ionenleitfähigkeit, sind aber zu spröde, um zu Rundzellen gewickelt zu werden. "Die Festelektrolyte haben noch viel Entwicklungsarbeit vor sich", meint Oschatz. "Bei Natrium und Lithium sind die Probleme ähnlich."

Sollte CATL – oder ein anderer Hersteller – nun aber tatsächlich einen Weg zur praxistauglichen Festkörperzelle finden oder schon gefunden haben, wäre das möglicherweise auch ein weiterer Schub für die Natrium-Zellen. Die Natrium-Ionen-Akkus, wie sie nun von HiNa und CATL versprochen wurden, haben heute schon Energiedichten im Bereich früherer Lithium-Eisenphosphat-Zellen. Mit Festkörper-Technologie könnten sie auch klassische Lithium-NMC-Akkus erreichen oder übertreffen – zumal deren Zellchemie bereits weitgehend ausgereizt ist. "Fortschritte werden dort eher über das Zelldesign und auf Modulebene als über die Zellchemie erzielt", sagt Micha P. Fertig – also der Kunst, den Anteil an passiven Bauteilen wie Gehäuse, Verpackung und Verkabelung zu reduzieren.

Wobei die Abschätzung der tatsächlichen Energiedichte einer neuen Zelltechnologie immer schwierig sei, solange es keine Prototypen gebe, so der Fraunhofer-Forscher. "Dies liegt daran, dass die Energiedichten von der Forschungs-, auf Zell-, auf Batterieebene immer weiter sinken. Veröffentlicht werden aber häufig die Energiedichten auf Forschungsebene, die dann fälschlicherweise mit einem kommerzialisierten System verglichen werden."

Potenzial von Natrium-Feststoffzellen

Auch wenn Natrium-Feststoffzellen nie die Energiedichte der besten vergleichbaren Lithium-Systeme erreichen werden: Gerade bei diesen Zellen könnte Natrium seinen großen Vorteil ausspielen, nämlich die problemlose Beschaffung der Rohstoffe. Denn für Lithium-Feststoffzellen mit entsprechend hoher Energiedicht ist auch entsprechend viel Lithium nötig, mit entsprechend teuren und umweltschädlichen Prozessen bei Förderung und Verarbeitung. "Ökonomisch werden Lithium-Feststoffzellen wohl nur da sein, wo eine hohe Energiedichte nötig ist, etwa in der Luftfahrt oder bei Luxusautos", meint Fraunhofer-Forscher Fertig. "Auf dem Massenmarkt haben Natrium-Feststoffzellen in bestimmten Bereichen das Potenzial, Lithium-Ionen-Akkus zu verdrängen."

Bereits zwischen November 2021 und November 2022 hat die hohe Nachfrage nach Batterien den Lithium-Preis ungefähr verdreifacht, bevor er wieder zu sinken begann. Doch wenn es vor allem der Lithium-Markt war, der die Tür für Alternativen geöffnet hat, dann könnte genau dieser Markt die Tür auch wieder zuschlagen, glaubt Jay Whitacre, Batterieforscher an der Carnegie Mellon University und Gründer des ehemaligen Natrium-Ionen-Batterieunternehmens Aquion. Das Schicksal der Natrium-Ionen-Batterien werde wahrscheinlich "direkt mit den Kosten für Lithium zusammenhängen". Es sei schon schwierig genug, neue Batterien in großem Maßstab zu produzieren. Noch schwieriger sei es, einem sich ständig verändernden Ziel hinterherzujagen, nämlich immer besseren und billigeren Lithium-Ionen-Batterien.

(grh)