Ein differenzierter Blick auf das Potenzial von Natrium-Ionen-Batterien

Die Natrium-Ionen-Batterie ist derzeit in aller Munde: Kostengünstig und gut verfügbar soll sie sein. Gleichzeitig soll sie es ermöglichen, die Abhängigkeit von asiatischen Lieferketten zu reduzieren.

Doch hält die Technologie, was sie verspricht? Anlässlich des Tags der Batterie am 18. Februar, dem Geburtstag des Erfinders der ersten Batterie, Alessandro Volta, bewerteten die MEET Bereichsleiter Dr. Johannes Kasnatscheew und Dr. Markus Börner das Potenzial von Natrium-Ionen-Batterien.

Natrium-Technologie besetzt Nische

Natrium ist mit einem Anteil von etwa 2,3 bis 2,8 Prozent nach Gewicht das sechsthäufigste Element in der Erdkruste. Lithium hingegen rangiert rund um Platz 30. Dadurch hat sich das Material zu einer vielversprechenden Ergänzung zu Lithium in der Batterieforschung entwickelt.

"Natrium-Ionen-Batterien werden in Zukunft eine Nische besetzen, die Lithium-Ionen-Batterie aber nicht ersetzen", erklärt Dr. Johannes Kasnatscheew, Leiter des MEET Forschungsbereichs Materialien. Denn im Vergleich zur Lithium-Ionen-Batterie haben Zellen mit Natrium-Ionen eine geringere Energiedichte. Ihr größter Konkurrent sind Lithium-Ionen-Batterien mit einer Lithium-Eisenphosphat-Kathode (LFP), da beide über ähnliche Eigenschaften verfügen.

Dr. Markus Börner, Leiter des MEET Forschungsbereichs System Zelle, erläutert: "Vorteile hat die Natrium-Ionen-Batterie zum Beispiel bei tiefen Temperaturen." Gründe dafür sind der harte Kohlenstoff in der Anode und das Lösemittel Propylencarbonat im Elektrolyten anstelle des gängigen Ethylencarbonats.

Zusätzlich kann die Natrium-Ionen-Technologie bei Anwendungen wie in stationären Energiespeichern oder E-Scootern punkten. Auf dem asiatischen Markt gibt es bereits Produkte mit Natrium-Ionen-Batterien. Aber auch in Europa kommen sie bereits vereinzelt zum Einsatz. "In Frankreich gibt es beispielsweise einen Hersteller, der Natrium-Ionen-Batterien in Akkuschraubern verbaut", weiß Börner. Dass diese Zellen bereits produziert werden können, liegt unter anderem daran, dass sich bestehende Anlagen für Lithium-Ionen-Batterien ohne großen Aufwand für die Herstellung von Natrium-Ionen-Zellen umrüsten lassen.

Das große Plus: Abhängigkeiten verringern

Aus Sicht der beiden Wissenschaftler müssen mögliche Kostenvorteile differenziert betrachtet werden. Kasnatscheew erklärt: "Relevant ist nicht der Preis für ein einzelnes Material, sondern der pro Kilowattstunde. In dieser Hinsicht sind LFP-Batterien aktuell günstiger als Natrium-Batterien." Aber: Natrium ermöglicht es, unabhängiger von Schwankungen des Lithium-Preises zu werden. Natrium sei dann besonders attraktiv, wenn Lithium teuer ist.

Durch seine gute Verfügbarkeit bietet das Element außerdem die Möglichkeit, eine europäische Lieferkette aufzubauen. Börner betont: "Das ist ein langwieriger Prozess. Wir werden nicht von heute auf morgen mit dem kostengünstigen Massenmarkt für Lithium-Ionen-Batterien mithalten können. Im Ergebnis stellt sich Europa mit einer eigenen Batteriezellproduktion aber unabhängiger und zukunftssicher auf."

Forschung und Entwicklung in Deutschland und Europa stark vertreten

Um dieses Ziel erreichen zu können, muss die Natrium-Ionen-Technologie weiter erforscht werden. Auf der Kathodenseite gibt es beispielsweise verschiedene Optionen für die einzusetzenden Materialien. Möglich sind etwa Schichtoxide auf Basis von Nickel-Eisen-Manganat (NFM), die eine gute Balance zwischen struktureller Stabilität und elektrochemischer Leistung aufweisen. Auf der Anodenseite kann der bisher auf Kupfer basierende Stromsammler durch das deutlich leichtere Aluminium ersetzt werden.

Am MEET Batterieforschungszentrum arbeitet das Team deshalb in verschiedenen Projekten daran, Natrium-Ionen-Batterien industrienah weiterzuentwickeln: vom Material über die Alterung bis hin zu umfangreichen Analysen. So ist das Institut Teil von Deutschlands größtem Konsortium für die Natrium-Ionen-Technologie: dem Projekt "Sodium-Ion-Battery Deutschland-Forschung - SIB:DE FORSCHUNG". Ein weiteres Vorhaben ist Na.Ion.NRW, bei dem das Projektteam das Ziel verfolgt, großformatige Natrium-Ionen-Batteriezellen im Pilotmaßstab herzustellen. Langfristig soll die Technologie in stationären Energiespeicherkonzepten verwertet werden. In der deutsch-französischen Kooperation "HIPOBAT - High Power Batteries" forscht das MEET mit seinen Partnern außerdem an Natrium-Hochleistungs-Batterien.

Quelle: Universität Münster