Natrium-Ionen-Akkus sind umweltschonend, belastbar und haben die Möglichkeit den Batteriemarkt zu revolutionieren. Drei internationale Batteriehersteller haben vor kurzem bekanntgegeben, bis 2023 in die Massenproduktion gehen. // Von Cengizhan Cokbilen und Marvin Müller
Aktuell wird nach Alternativen zu Lithium-Ionen-Akkus geforscht, da die weltweiten Lithiumreserven immer knapper werden. Der Bedarf an Lithium für die Herstellung von Akkus ist angesichts der Umorientierung der Politik und Automobilindustrie weltweit gestiegen. Wegen der Rohstoffknappheit rückt Natrium als Akkumaterial in den Fokus. In den Ländern China, Schweden und den Vereinigten Staaten soll durch die Produktion von Natrium-Ionen-Akkus eine Alternativmöglichkeit zu anderen Akkumulatoren sein.
Holger Althues ist Abteilungsleiter für Chemische Oberflächen- und Batterietechnik des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff und Strahltechnik. Er beschreibt welche Umsetzungen erfolgen sollten, damit sich die Natrium-Ionen-Akkus auf den Markt etablieren.
Althues vertritt die Auffassung, dass es durchaus durchsetzbare wäre, dass sich Natrium-Ionen-Akkus auf dem Markt etablieren, da Natrium einen Kostenvorteil hat im Gegensatz zu dem gängigen Lithium. Der Kostenfaktor ist diesbezüglich ein wesentliches Argument für die Einführung in den Markt. Weiterhin führte er aus, dass das Lithium kleiner, leichter und ein niedrigeres Potenzial auf der Abscheidung der Anodenseite der Akkus hat.
Diese Eigenschaften Erklärt Althues wie folgt: „Dies bedeutet, dass ein höheres Spannungsfenster entsteht als es bei Natrium-Ionen-Akkus der Fall ist. Das Spannungsfenster führt zu einer höheren Energiedichte, was bedeutet, dass Lithium ein geringeres Eigengewicht hat als Natrium. Dies ist ein Vorteil, der schwer aufzuholen sein wird.“
Klicken Sie auf den unteren Button, um den Inhalt von www.thinglink.com zu laden.
Lithium-Ionen-Akkus und die weltweite Förderung
Das in Lithium-Ionen-Akkus verwendete Lithium wird wegen seines hohen Siedepunkts und seiner Wärmekapazität als Kathodenmaterial in Akkus verwendet. Wenn es in diesen Ländern zu Lieferengpässen kommt, kann dies eine Bedrohung für die weltweite Batterieproduktion darstellen.
Risiken des Grafitabbaus
Als Anodenmaterial für die Lithium-Ionen-Batterie verwendet man Grafit, da es eine hohe Energiedichte aufweist. Bei dem Abbau von Grafit entsteht Staub, der bei vielen Minenarbeitern zu Atembeschwerden führt. Demnach birgt dies gesundheitliche Risiken und die Minenarbeiter riskieren, chronische Krankheiten zu entwickeln. Weiterhin werden Kobalt, Magnesium, Nickel und Mangan für die Lithium-Ionen-Akkus verwendet.
Maximilian Fichtner ist Professor für Festkörperchemie an der Universität Ulm und geschäftsführender Direktor des Helmholtz-Instituts. Er hat über die Gewinnung und den Kostenfaktor von Natrium und Lithium gesprochen.
Fichtner meint, dass der aktuelle Preis von Lithiumcarbonat sehr hoch ist. Des Weiteren beschrieb er das Natriumcarbonat (Soda) sehr viel günstiger zu erhalten sei und fügt an: „Natrium ist ein sehr häufig vorkommendes Element auf der Welt.“
Fichtner erläuterte den Ressourcenvorteil des Elements gegenüber Lithtium: „Natrium ist in vielen Mineralien und in fast unbegrenzten Mengen im Meersalz vorhanden. Des Weiteren ist Natriumchlorid (Kochsalz) in unbegrenzter Menge verfügbar.“ Demnach muss keine Ressourcenknappheit bei der Produktion befürchtet werden.
Herstellung von Natrium-Ionen-Akkus spart Energie
Im Vergleich zu Nickel und Lithium benötigt die Herstellung von Natrium-Ionen-Akkus weniger Energie. Das Natrium muss nicht extra gefördert werden, weil es als Abfallprodukt im Kalibergbau vorhanden ist. Nickel und Lithium werden aus Bergbauten gewonnen. Weitere abbaubare Rohstoffe wie Kobalt, Grafit, Nickel und Kupfer werden für Natrium-Ionen-Akkus nicht verwendet.
Energiedichte im Vergleich
Die Energiedichte von Natrium-Ionen-Akkus viel geringer als bei Lithium-Ionen-Akkus. Natrium-Ionen-Akkus weisen eine Energiedichte von 160 Wattstunden pro Kilogramm auf. In Relation weisen Lithium-Ionen-Akkus eine Energiedichte von 180 Wattstunden pro Kilogramm auf. Die Energiedichte bestimmt das Volumen der Akkus. Akkus können Kompakter gebaut werden, wenn sie eine hohe Energiedichte aufweisen. Dies bedeutet, dass Akkus die eine hohe Energiedichte aufweisen, kleiner sind als Akkus mit niedriger Energiedichte. Damit die Energiedichte von Natrium-Ionen-Akkus zu verbessert werden kann, soll laut Angaben mehrerer Akkuhersteller sollen Hartkohlenstoff-Materialien an der negativen Elektrode verbaut werden.
Vor- und Nachteile weiterer Batterietypen
Neben Natrium-Ionen-Akkus wird an weiteren Batteriekonzepten geforscht. Dazu zählen Polymer-Lithium-Ionen-Akkus. Diese sind ein weiterer Typ von Lithium-Ionen-Akkus, die eine hohe Kapazität in Bezug auf die Energiedichte (300 Wh/kg) bieten. Allerdings ist die Zyklenzahl von Polymer-Lithium-Ionen-Akkus kürzer als bei herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus. Die Zyklenzahl gibt an, wie oft eine Batterie oder ein Akku wieder aufgeladen werden kann. Polymer-Lithium-Ionen-Akkus haben 300–500 Ladezyklen. Nickel-Mangan-Cobalt- und Lithiumeisenphosphat-Akkus sind eine effiziente und leistungsstarke Variante der Lithium-Ionen-Batterie. Sie können bis zu 5000 Ladezyklen durchhalten. Lithium und Natrium wird ebenfalls in Festkörperbatterien verwendet. Diese Batterien haben den Vorteil, dass sie eine Schnellladefähigkeit, hohe Zyklenzahl und eine höhere Energiedichte gegenüber anderen Batterietypen besitzen.
Teaserbild: Konsequenzen der Rohstoffgewinnung zur Akku-Produktion // Grafische Umsetzung: Marvin Müller
Die Autoren
Cengizhan Cokbilen
Marvin Müller
