Vergleich von Na-Ionen mit verschiedenen anderen Zellchemien. (Bild: ID-TEchex)
Natrium-Ionen-Batterien folgen den gleichen elektrochemischen Prinzipien wie Lithium-Ionen-Batterien, wobei Natrium das Lithium ersetzt. Zwar sind für diese Substitution unterschiedliche Kathoden, Anoden und Elektrolyte erforderlich, doch die chemische Zusammensetzung ist bei beiden Technologien insgesamt ähnlich.
Wie unterscheiden sich Anode, Kathode und Elektrolyt?
Der größte Unterschied liegt in der Kathode. Die drei Haupttypen von Natrium-Ionen-Kathoden, die derzeit entwickelt werden, sind Übergangsmetalloxide (ähnlich wie NMC), Polyan-Ionen (ähnlich wie LFP) und Preußischblau-Analoga (einzigartig für Natrium-Ionen). Übergangsmetalloxide und Preußischblau-Analoga sind besonders vielversprechend, da sie kostengünstig sind und keine seltenen Erden enthalten.
Was die Anode und den Elektrolyten betrifft, sind Natrium-Ionen-Batterien den Lithium-Ionen-Batterien weitgehend ähnlich. Hartkohlenstoffanoden, die in früheren Lithium-Ionen-Generationen verwendet wurden, sind die bevorzugte Wahl, da Natrium-Ionen zu groß sind, um sich in Graphit einzulagern. Die Elektrolyte bestehen aus ähnlichen Salzen und Lösungsmitteln, wobei Natrium das Lithium ersetzt.
Was leisten Natrium-Ionen-Zellen bei der Energiedichte?
Vergleicht man die verschiedenen Leistungsmerkmale, so erschließen sich die allgemeinen Vor- und Nachteile jeder Batteriechemie. Die Energiedichte von Natrium-Ionen-Batterien ist geringer als die von Hochenergie-Lithium-Ionen-Zellen, die Nickel verwenden, aber sie nähern sich der Energiedichte von Hochleistungs-Lithium-Eisenphosphat-Zellen (LFP) an. Ein interessanter Aspekt ist, dass Natrium-Ionen-Batterien sehr hohe Leistungsdichten erreichen können – es gibt Berichte von rund 1000 W/kg, was deutlich über den Werten von NMC-Zellen (ca. 340–420 W/kg) und LFP-Zellen (ca. 175–425 W/kg) liegt. Zudem zeigen Natrium-Ionen-Batterien ein besseres Verhalten bei niedrigen Temperaturen.
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Welche Preisvorteile bietet die neue Technologie?
Ein Hauptvorteil von Natrium-Ionen-Batterien ist ihr potenziell geringerer Preis im Vergleich zu Lithium-Ionen-Technologien. In großem Maßstab wird erwartet, dass eine Natrium-Ionen-Batterie mit einer Kathode aus geschichtetem Metalloxid und einer Anode aus Hartkohlenstoff etwa 25–30 Prozent geringere Materialkosten aufweist als eine Lithium-Eisenphosphat-(LFP)-Batterie. Diese Kostenersparnis ergibt sich hauptsächlich aus dem Ersatz von Lithium und Kupfer durch die kostengünstigeren Materialien Natrium und Aluminium.
Die tatsächliche Kostenstruktur hängt jedoch von mehreren Faktoren ab. Der größte Kostenfaktor sind die Elektrodenmaterialien. Im Fall von Natrium-Ionen-Batterien gilt Hartkohlenstoff derzeit als der bevorzugte Anodenwerkstoff. Zwar ist Hartkohlenstoff günstiger als Graphit, hat aber eine geringere Dichte. Das bedeutet, dass für dieselbe Menge an Aktivmaterial mehr Elektrolyt benötigt wird. Zudem ist Hartkohlenstoff in der Herstellung teurer als natürlicher Graphit, und einige Varianten bieten eine geringere Leistung.
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Wie sich die Preise für Natrium-Ionen-Batterien zukünftig entwickeln und ob sie Lithium-Ionen-Batterien unterbieten können, ist derzeit noch unklar. Zwar sinken die Kosten für Lithium-Ionen-Batterien weiterhin, doch wann genau die Natrium-Ionen-Technologie preislich gleichziehen oder günstiger werden könnte, lässt sich aktuell nur schwer abschätzen. (bs)
Dieser Beitrag beruht auf Unterlagen von ID-TEchex.