Natrium-Ionen-Batterien: der neue Zukunftstrend bei Elektrofahrzeugen

Die in Elektrofahrzeugen verwendeten Lithiumbatterien sind teuer. Das erschwert ihre breite Verbreitung. Nun zeichnet sich ein möglicher Durchbruch in der Batterietechnik ab.

Künftig könnten Elektrofahrzeuge statt Lithiumbatterien preiswerte und ressourcenschonende Natrium-Ionen-Batterien nutzen.

Kosten von Elektroautobatterien

Warum Elektrofahrzeuge bessere Batterien brauchen#

Elektrofahrzeuge gelten als Zukunftsmodell für den Klimaschutz, besonders bei Nutzung erneuerbaren Stroms. Seit Jahren setzen Hersteller jedoch auf das seltene und vergleichsweise teure Lithium. Das bremst die weltweite Verbreitung in großen Stückzahlen.

Elektroautos, Nutzfahrzeuge und E-Bikes entwickeln sich dynamisch, ihr Einsatz bleibt aber begrenzt. Hohe Preise, umständliche Ladeinfrastruktur und eine rohstoffintensive Batterieproduktion erschweren die schnelle Ausbreitung.

Für eine breite Nutzung müssen Hersteller leistungsfähigere, langlebigere, nachhaltigere und günstigere Batterien einführen.

Materialvergleich

Natrium als Alternative zu Lithium#

Natrium-Ionen-Batterien könnten eine praktikable Lösung sein. Die jüngsten Fortschritte sind bemerkenswert. In absehbarer Zeit könnten sie Lithiumbatterien in Elektrofahrzeugen, Smartphones oder Notebooks ersetzen.

Die Alkalimetalle Lithium und Natrium besitzen sehr ähnliche chemische Eigenschaften. Natrium hat zwar eine geringere Energiedichte als das seltenere Lithium, ist dafür leichter verfügbar und voraussichtlich günstiger.

Fortschritte bei Prototypen

Vielversprechende Fortschritte#

Die Leistung von Natrium-Ionen-Batterien liegt noch etwa 20 Jahre hinter der von Lithiumbatterien zurück. Ein Grund ist, dass sich die Forschung im vergangenen Jahrzehnt vor allem auf leistungsfähigeres Lithium konzentriert hat.

Heute gibt es sowohl wegweisende wissenschaftliche Veröffentlichungen als auch vielversprechende Prototypen. Einem im Mai veröffentlichten Bericht zufolge absolvierte eine in Südkorea entwickelte Natrium-Ionen-Batterie etwa 500 vollständige Ladezyklen, bevor ihre Kapazität auf 80 Prozent des Ausgangswerts sank.

Eine von einem US-chinesischen Team entwickelte Batterie erreicht bei gleicher Restkapazität etwa 450 Ladezyklen. Ein chinesischer Natrium-Ionen-Akku besitzt zwar weniger Kapazität, behält aber nach 1200 Schnellladungen von jeweils 12 Minuten noch 70% seiner ursprünglichen Kapazität.

Das klingt zunächst begrenzt. Im Alltag könnten diese Batterien jedoch mehr Ladevorgänge vertragen, weil sie normalerweise nicht vor jeder Ladung vollständig entladen werden. Vollständiges Entladen und Wiederaufladen im Versuch beansprucht die Zellen stärker.

Lithium ist seltener und teurer, bildet aber die Grundlage der meisten heutigen Batterietechnologien. Die ursprüngliche Abbildung zeigt die Länder mit den größten Lithiumreserven im Jahr 2019.

Natrium-Ionen-Technik benötigt zudem keine knappen Rohstoffe. Für die Kathoden sind keine seltenen Lithiumsalze nötig; gewöhnliches Kochsalz genügt. Leistungsfähige Anoden können aus Braunkohle, Holz und anderer Biomasse hergestellt werden. Kobalt oder ähnliche seltene Stoffe werden dafür nicht gebraucht.

Graphen und Natriumionen

Ein Durchbruch in der Grundlagenforschung?#

Natrium hat zwei Nachteile: Es wiegt dreimal so viel wie Lithium. Obwohl Lithium weniger als 5% des Gesamtgewichts einer Lithiumbatterie ausmacht, wäre eine entsprechende Batterie mit Natriumionen schwerer.

Hinzu kommt eine geringere Leistung. Da Natriumionen eine um 0,3 Volt geringere Spannung als Lithiumbatterien liefern, geht etwa 10% Energiedichte verloren. Vor allem können die üblichen Graphitanoden nicht genügend Natrium aufnehmen.

Einem Bericht einer deutsch-russischen Arbeitsgruppe unter Leitung des Helmholtz-Forschungszentrums (HZDR) in Dresden zufolge könnte Nanokohlenstoff helfen. Ultradünnes, zweilagiges Graphen soll in der Anode mehr Natriumionen speichern können als Graphit.

Würden solche Graphenelektroden künftig die heute üblichen Graphitanoden in Lithiumbatterien ersetzen, könnte die Kapazität deutlich steigen.

Der HZDR-Physiker Krasheninkov vergleicht dies mit kleinen Kugeln zwischen zwei Papierblättern: Je mehr Kugeln hinzukommen, desto weiter werden die Blätter auseinandergedrückt und desto größer wird der Zwischenraum.

Mehrschichtstruktur

Eine übertragbare Technik?#

Lässt sich eine funktionierende Mehrschichtstruktur für Lithiumbatterien auch auf andere Alkalimetalle wie Natrium übertragen? Ein Team aus Dresden, Stuttgart und Moskau will das mit aufwendigen Supercomputersimulationen herausfinden.

Bisherige Natrium-Ionen-Prototypen waren begrenzt leistungsfähig, weil Natrium kaum in die Graphitanode eindringt. Berechnungen zeigen jedoch, dass es sich ähnlich wie Lithium in einer Mehrschichtstruktur zwischen Graphenlagen einlagern kann.

Würden Graphenelektroden in Natrium-Ionen-Batterien die heutigen Graphitanoden ersetzen, könnte eine höhere Speicherkapazität erreicht werden.

Die Ergebnisse könnten neue Wege zu preiswerten Natriumbatterien eröffnen. Krasheninkov betont jedoch, dass die Arbeit rein theoretisch ist. Allein daraus lasse sich keine neue Batteriegeneration für die absehbare Zukunft ableiten. Ingenieuren könnten sich dennoch interessante neue Ansätze bieten.

Zukunftsausblick

Die Batterie der Zukunft#

Erfreulicherweise ist die Natrium-Ionen-Batterie nicht mehr nur ein theoretisches Konzept. Ein Durchbruch bei den zugehörigen Technologien scheint nahe.

Die jüngsten Erkenntnisse zeigen praktische, bezahlbare und ressourceneffiziente Alternativen zu teuren Lithiumbatterien. Mehrschichtstrukturen könnten ihre Leistung zusätzlich verbessern.

Bis zur Serienreife für Elektrofahrzeuge oder Mobiltelefone wird noch Zeit vergehen. Ist es so weit, dürfte die Umstellung der Produktion von Lithium- auf Natrium-Ionen-Batterien wegen der ähnlichen Technik vergleichsweise einfach sein.