Hoffnungsträger Natrium-Ionen-Akku

Hoffnungsträger Natrium-Ionen-Akku
23 Feb 2021

Derzeit dominieren Lithium-Ionen-Akkus den Markt für Energiespeicher. Allerdings sind die Lithium-Vorräte auf der Erde begrenzt, knapp und teuer. Kostengünstiger und nachhaltiger wären Natrium-Ionen-Akkus, da Natrium in der Natur in großen Mengen vorkommt und einfacher zu gewinnen ist als Lithium. Die Technologie funktioniert bereits, bis zur Massenproduktion kann es aber noch etwas dauern.

Sie stecken in Notebooks, Smartphones, E-Bikes, Elektroautos oder auch Speichern im Stromnetz – Lithium-Ionen-Akkus dominieren derzeit den Markt für Energiespeicher auf elektrochemischer Basis. Sie sind leistungsstark, leicht und bieten eine hohe Energiedichte. Das Problem: Die Lithium-Vorräte auf der Erde sind begrenzt und könnten schon in wenigen Jahren aufgebraucht sein. Als Folge werden die Kosten steigen. Zudem ist die Gewinnung von Lithium sehr aufwändig und belastet die Umwelt. Ein weiterer Nachteil: Lithium-Ionen-Akkus nutzen an der Kathode das ebenso seltene wie giftige Metall Kobalt.

Natrium als Alternative schont Ressourcen

Als mögliche Alternative oder Ergänzung zu Lithium-Ionen-Akkus bieten sich künftig Natrium-Ionen-Akkus an. In den letzten Jahren haben Wissenschaftler weltweit große Fortschritte in der Technologie erzielt und vielversprechende Prototypen gebaut. Natrium-Ionen-Akkus funktionieren, sind aber noch nicht ausgereift genug für die Massenproduktion. Das dürfte sich aber in den kommenden Jahren ändern. Warum aber eignet sich Natrium besonders gut für den Einsatz in Akkus?

Lithium und Natrium sind sich als Alkalimetalle chemisch sehr ähnlich. Sie haben jeweils nur ein Elektron, das sie abgeben können, um Strom fließen zu lassen. Da sie gleichzeitig einfach positiv geladene Alkali-Kationen erzeugen, eignen sie sich sehr gut als Ladungsträger in Elektrolyten. Im Vergleich zu Lithium kommt Natrium in der Natur aber sehr häufig vor, zum Beispiel im Meersalz als Natriumchlorid. Damit wird die Produktion nicht durch knappe Ressourcen begrenzt, Natrium lässt sich zudem kostengünstiger gewinnen.

Wegen des ähnlichen Konzepts ist es möglich, Produktionslinien für Lithium-Ionen-Akkus relativ einfach ohne größere technische Veränderungen auf Natrium-Ionen-Akkus umzustellen. Da man hier Aluminium statt des teureren Kupfers als elektrischen Anschluss für die Anoden nutzen kann, ist die Herstellung sogar günstiger. Als gutes Material für die Anode, welche die Natrium-Ionen beim Ladevorgang speichert, haben sich Braunkohle, Holz und andere Biomasse (z.B. Maiskolben, Kaffeesatz) erwiesen. Für die Kathode eignen sich häufig vorkommenden Stoffe wie Mangan oder Eisen als Ersatz für das giftige und seltene Kobalt. Kurzum: Für Natrium-Ionen-Akkus werden im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Akkus keine vergleichbar seltenen oder teuren Rohstoffe benötigt.

Nachteile: Höheres Gewicht und geringere Energiedichte

Doch Natrium hat zwei Nachteile: Zum einen sind Natrium-Ionen etwa dreimal schwerer als Lithium-Ionen. Daher sind Natrium-Ionen-Akkus auch schwerer, obwohl Lithium nur etwa fünf Prozent des Gesamtgewichts einer Akkus ausmacht. Durch das höhere Gewicht sind Natrium-Ionen auch träger und bewegen sich im Elektrolyten nicht so schnell. Die Herausforderung besteht hier darin, Materialien für schnell leitende Feststoff-Elektrolyten zu finden.

Zum anderen sind Natrium-Akkus im Vergleich zu Akkus mit Lithium auch leistungsschwächer, weil sie wegen einer um 0,3 Volt niedrigeren Zellspannung etwa zehn Prozent Energiedichte verlieren. Weitere Energiedichte verlieren sie durch ihr höheres Gewicht. Ihre Energiedichte entspricht derzeit etwa der von Lithium-Ionen-Akkus von vor 20 Jahren. Da Natrium-Metall zudem reaktiver ist als Lithium-Metall, müssen die Entwickler eine unerwünschte Metallabscheidung auf der Oberfläche der Elektroden verhindern, um die Sicherheit des Systems zu gewährleisten.

Prototypen und mögliche Einsatzgebiete

Mittlerweile gibt es mehrere funktionierende Prototypen von Wissenschaftlern und Forschern weltweit. So gelangen einem südkoreanischen Natrium-Ionen-Akku etwa 500 vollständige Ladezyklen, bevor seine Kapazität auf 80 Prozent sank. Ein Akku einer US-chinesischen Forschungsgruppe mit einem etwas anderen chemischen Aufbau schaffte bei einer ähnlichen Kapazität 450 Ladezyklen.

In der Praxis würden diese Akkus wahrscheinlich mehr Ladezyklen überleben, da Akkus im Alltag meist nur zum Teil geladen und entladen werden. Das vollständige Laden und Entladen im Experiment fordert den Akku viel stärker. Auch Startups wie die französische Firma Tiamat oder das niederländische Unternehmen AquaBattery arbeiten an der Natriumtechnologie. Man darf gespannt sein, wie die Entwicklung hier weitergeht.

Natrium-Ionen-Akkus sind wegen des höheren Volumens und Gewichts bei gleicher Leistung erheblich größer als Lithium-Ionen-Akkus. Daher eignen sie sich eher weniger für die Akkus von Elektroautos oder von Notebooks und Smartphones. Sie kommen künftig wohl vor allem in stationären Speicheranlagen zum Einsatz, die Wind- und Solarstrom speichern, wenn er im Überfluss produziert wird, um die Energie in wind- und sonnenarmen Zeiten nutzen zu können. Diese Stromspeicher entkoppeln Stromerzeugung und Stromverbrauch, gleichen die schwankende Verfügbarkeit erneuerbarer Energien aus und können auch bei Lastspitzen Strom liefern. Bei ihnen spielt die Größe nur eine untergeordnete Rolle, entscheidend ist dabei meist der Preis. Hier punkten Natrium-Ionen-Akkus durch ihre niedrigeren Herstellungskosten.

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Stefan Winklhofer