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Natrium-Ionen-Batterie: der neue Trend der Zukunft von Elektrofahrzeugen
Juli 19, 2021
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Hintergrund
Kosten der Batterie für Elektrofahrzeuge
Warum Elektrofahrzeuge bessere Batterien benötigen
Elektrofahrzeuge, insbesondere solche, die erneuerbare Energien zur Stromerzeugung nutzen, gelten als Zukunftsmodell, das zum globalen Klimaschutz beitragen wird. Doch seit Jahren verwenden Autohersteller in der Batterietechnologie das seltene und relativ teure Lithium, was die weltweite Massenverbreitung von Elektrofahrzeugen verlangsamt.
Obwohl Elektroautos, Nutzfahrzeuge und Elektrofahrräder immer häufiger eingesetzt werden, ist ihre Nutzung noch begrenzt. Hohe Preise, umständliche Ladeinfrastruktur und ein rohstoffintensiver Batterieherstellungsprozess hemmen die rasante Entwicklung von Elektrofahrzeugen.
Um Elektrofahrzeuge einer breiten Öffentlichkeit zugänglich zu machen, müssen die Autohersteller leistungsstärkere, langlebigere, nachhaltigere und erschwinglichere Batterien einführen.
Natrium statt Lithium
Materialvergleich
Natrium statt Lithium
Natriumionen-Batterien könnten eine praktikable Alternative darstellen, und die jüngsten Entwicklungen auf diesem Gebiet waren überraschend vielversprechend. In absehbarer Zukunft könnten Natriumionen-Batterien die in Elektrofahrzeugen, Smartphones oder Notebooks verwendeten Lithiumbatterien ersetzen.
Lithium und Natrium, zwei Alkalimetalle, weisen sehr ähnliche chemische Eigenschaften auf. Obwohl Natrium im Vergleich zum selteneren Lithium eine geringere Energiedichte besitzt, ist es leichter zu gewinnen und relativ kostengünstig.
Vielversprechende Durchbrüche
Fortschritt des Prototyps
Vielversprechende Durchbrüche
Die Leistungsfähigkeit von Natriumionen-Batterien liegt noch immer etwa 20 Jahre hinter der von Lithium-Batterien zurück. Der Grund dafür ist, dass sich die Forschung im letzten Jahrzehnt fast ausschließlich auf die Entwicklung leistungsstärkerer Lithium-Batterien konzentriert hat.
Heute gibt es nicht nur bahnbrechende wissenschaftliche Veröffentlichungen, sondern auch zukunftsweisende Prototypen. Laut einem im Mai veröffentlichten Bericht durchlief eine in Südkorea entwickelte Natrium-Ionen-Batterie etwa 500 vollständige Ladezyklen, bevor ihre Kapazität auf 80 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität sank.
Ein weiterer Akku, entwickelt von einem US-amerikanisch-chinesischen Forschungsteam, kann bei gleicher Kapazität etwa 450 Mal aufgeladen werden. Ein in China hergestellter Natrium-Ionen-Akku hat zwar eine geringere Kapazität, besitzt aber nach 1200 Schnellladungen à 12 Minuten noch 70 % seiner ursprünglichen Kapazität.
Das mag zunächst nicht viel erscheinen, aber in der Praxis können diese Batterien möglicherweise mehr Ladezyklen überstehen, da sie im Alltag normalerweise nicht nach der Entladung wieder aufgeladen werden müssen. Das vollständige Entladen und Wiederaufladen der Batterie im Experiment bedeutet einen höheren Verschleiß.
Das Metall Lithium ist seltener und teurer, aber die meisten modernen Batterien verwenden Lithium-Batterien. Die ursprüngliche Grafik zeigt die Länder mit den größten Lithiumreserven im Jahr 2019.
Darüber hinaus benötigt die Natriumionen-Technologie keine knappen Ressourcen. Für die Herstellung von Kathoden werden keine seltenen Lithiumsalze benötigt; Kochsalz genügt. Hochleistungsanoden lassen sich aus Braunkohle, Holz und anderer Biomasse fertigen. Kobalt oder ähnliche seltene Substanzen sind im Produktionsprozess nicht erforderlich.
Grundlagenforschung
Graphen und Natriumionen
Ein Durchbruch in der Grundlagenforschung?
Natrium hat zwei Nachteile: Es wiegt dreimal so viel wie Lithium, sodass eine Batterie mit Natriumionen, obwohl Lithiumbatterien weniger als 5 % des Gesamtgewichts der Batterie ausmachen, immer noch mehr wiegen würde als eine Lithiumbatterie.
Zudem ist die Leistung von Natriumbatterien geringer. Da Natriumionen eine um 0,3 Volt niedrigere Spannung als Lithiumionen aufweisen, ergibt sich zwangsläufig ein Energiedichteverlust von etwa 10 %. Vor allem aber bieten die Graphitanoden heutiger Batterien nicht genügend Platz für Natriumionen.
Laut einem Bericht einer deutsch-russischen Arbeitsgruppe unter der Leitung des Helmholtz-Zentrums für wissenschaftliche Forschung (HZDR) in Dresden kann Nanokohlenstoff zur Verbesserung dieses Problems beitragen. Der Bericht stellt fest, dass die Verwendung eines ultradünnen Kohlenstoffmaterials, zweilagiges Graphen, mehr Natriumionen in der Anode speichern kann als Graphit.
Wenn Graphenelektroden künftig in Lithiumbatterien anstelle der heute üblicherweise verwendeten Graphitanoden eingesetzt werden können, könnte die Batteriekapazität möglicherweise deutlich erhöht werden.
Krasheninkov, ein Physiker am HZDR, verglich es damit, eine kleine Kugel zwischen zwei Blätter Papier zu legen: Fügt man immer mehr kleine Kugeln zwischen das Papier ein, wird das Papier immer weiter auseinandergedrückt, und der Abstand zwischen den beiden Blättern vergrößert sich.
Kompatible Technologie
Mehrschichtstruktur
Eine kompatible Technologie?
Wenn eine Mehrschichtstruktur für Lithiumbatterien funktioniert, lässt sie sich dann auch auf andere Alkalimetalle wie Natrium übertragen? Ein Forscherteam aus Dresden, Stuttgart und Moskau hofft, dies mithilfe komplexer Supercomputersimulationen herauszufinden.
Da die bisherigen Prototypen von Natriumionenbatterien nicht gut funktionierten, weil Natrium nur schwer in die Graphitanode eindringen kann, zeigen Computerberechnungen, dass Natrium, genau wie Lithium, in einer Mehrschichtstruktur zwischen Graphenschichten eingebettet werden kann.
Wenn in Zukunft Graphenelektroden anstelle der heutigen Graphitanoden in Natriumionenbatterien eingesetzt würden, könnte eine höhere Speicherkapazität erreicht werden.
Die Ergebnisse dieser Studien könnten einen Durchbruch in der Entwicklung kostengünstiger Natriumbatterien ermöglichen. Krasheninkov betonte, dass die Arbeit rein theoretischer Natur sei und nicht die Entwicklung einer neuen Batteriegeneration in absehbarer Zeit allein auf Basis der Studienergebnisse befürworte, aber sie könne Ingenieuren interessante neue Ideen liefern.
Batterien der Zukunft
Zukunftsausblick
Batterien der Zukunft
Erfreulicherweise ist die Natrium-Ionen-Batterie nicht länger nur ein theoretisches Konzept. Ein Durchbruch bei verwandten Technologien scheint unmittelbar bevorzustehen.
Die neuesten Erkenntnisse zeigen, dass es bereits praktische, erschwingliche und ressourcenschonende Alternativen zu teuren Lithiumbatterien gibt, und dass sich deren Leistung durch Mehrschichtstrukturen sogar noch verbessern lässt.
Es wird sicherlich noch einige Zeit dauern, bis die Natriumionen-Batterietechnologie für die Massenproduktion und den Einsatz in Elektrofahrzeugen oder Mobiltelefonen bereit ist. Sobald die Zeit reif ist, dürfte die Umstellung der Produktionslinie von Lithium- auf Natriumionen-Batterien jedoch keine größeren Probleme bereiten, da die Technologien relativ ähnlich sind.
