Natrium-Ionen-Akkumulator

Grundprinzip und Bedeutung

Natrium-Ionen-Akkumulatoren (englisch: sodium-ion battery, SIB) speichern elektrische Energie mithilfe von Natriumionen. Ihre Funktionsweise und ihr Aufbau folgen grundsätzlich dem Vorbild der Lithium-Ionen-Akkumulatoren. Die Herstellung kann auf denselben Anlagen erfolgen; in der Elektrodenfertigung muss vor allem das Kathodenmaterial ausgetauscht werden. Außerdem kann Aluminium als Trägerfolie verwendet werden, weil Natrium im Gegensatz zu Lithium nicht mit Aluminium reagiert.

Natrium ist als Bestandteil von Kochsalz (NaCl) weltweit leicht und praktisch unbegrenzt verfügbar und deutlich günstiger als Lithium. Manche Bauformen kommen ohne Kupfer, Cobalt, Nickel und grundsätzlich ohne Blei aus. Als Kathodenmaterialien können Preußisch Blau oder Preußisch Weiß dienen, eisenbasierte und günstig verfügbare Komplexe. Anstelle von Graphit ist Hartkohlenstoff als Anodenmaterial möglich.

Die Energiedichte ist jedoch geringer als bei Lithium-Ionen-Akkumulatoren: Natrium-Ionen-Akkus erreichen etwa 140 bis 160 Wh/kg, Lithium-Ionen-Akkumulatoren bis zu 260 Wh/kg. Dafür sind mehr als 10.000 Ladezyklen ohne Einbußen bei Kapazität und Ladedauer möglich. Ladezeiten von etwa 15 Minuten bis zu einer Ladekapazität von 85 % können erreicht werden. Welche Eigenschaften besonders wichtig sind, hängt vom Einsatzgebiet ab.

Elektrolyte und Bauformen

Bei Umgebungstemperatur werden Natrium-Ionen-Batterien mit organischen oder anorganischen wässrigen Elektrolyten betrieben. Ein Elektrolyt ist die ionenleitende Substanz zwischen den Elektroden.

Natrium-Ionen-Batterien mit wässrigen Elektrolyten werden häufig als Salzwasserbatterien bezeichnet. Sie sind billiger als Varianten mit organischen Elektrolyten, unbrennbar und bis zu einer Entladeschlussspannung von 0 V tiefentladefest. Ihre Energiedichte beträgt jedoch nur 12 bis 24 Wh/L und liegt damit weit unter der von Blei- oder Lithium-Ionen-Akkumulatoren. Außerdem ist ihre Zyklenfestigkeit geringer, und die entnehmbare Kapazität hängt stark von der Entladestromstärke ab. Sie eignen sich daher vor allem für stationäre Anwendungen mit geringen bis mittleren Strömen über längere Zeiträume, etwa als Heimspeicher für Solarenergie, nicht aber für mobile Anwendungen.

Organische Elektrolyte erlauben größere Zellspannungen. Je nach Materialkombination liegen diese zwischen 2 und 3,5 V. Häufig vorgeschlagen werden Lösungen von Natriumsalzen, beispielsweise Natriumhexafluorophosphat, in Mischungen organischer Carbonate wie Propylencarbonat, Ethylencarbonat und Diethylcarbonat. Kurzkettige Ether kommen gelegentlich ebenfalls zum Einsatz. Natriumperchlorat wird zwar häufig in der akademischen Forschung verwendet, ist wegen seiner Explosionsgefahr aber für kommerzielle Zwecke ungeeignet.

Als Anoden werden unter anderem Graphen und Hartkohlenstoff erforscht. Metallisches Natrium ist prinzipiell möglich, wird jedoch durch Stoffe im Elektrolyten chemisch angegriffen. Vorgeschlagen wurde auch bei hoher Temperatur in Stickstoff verschweltes Chinacridon. Für die Kathode werden verschiedene natriumhaltige Phosphate und Diphosphate untersucht, beispielsweise Natriumeisenphosphat.

Thermalbatterien mit Natriummetall

Thermalbatterien mit Natriummetall verwenden einen Festelektrolyten vom Typ Natrium-β-aluminat, der Natriumionen transportiert. Da Festelektrolyte erst bei ausreichend hohen Temperaturen genügend leitfähig sind, müssen die Zellen auf hoher Temperatur gehalten werden.

Die Minuspolseite kann aus preiswertem flüssigem Natrium bestehen. Die Pluspolseite enthält beim Natrium-Schwefel-Akkumulator Schwefel und bei der Zebra-Batterie, also dem Natrium-Nickelchlorid-Akkumulator, Nickelchlorid. Während die Elektroden günstig sind, ist der Festelektrolyt vergleichsweise teuer.

Vorteile und Grenzen im Einsatz

Natrium-Ionen-Akkus gelten wegen ihrer günstigen und reichlich vorhandenen Rohstoffe als vielversprechend für Energiespeicher, bei denen das Gewicht keine entscheidende Rolle spielt. Dazu gehören stationäre Batteriespeicherkraftwerke für Wind- und Solarenergie. Auch für Elektroautos werden sie zunehmend interessant, besonders im günstigen Preissegment sowie bei Fahrzeugen mit niedriger bis mittlerer Reichweite. Sie könnten außerdem die Abhängigkeit von Ländern verringern, die große Teile der Lithium- und Grafitverarbeitung kontrollieren.

Die wirtschaftliche Bedeutung war 2017 noch gering; 2018 verbesserten sich die Aussichten durch sinkende Herstellungskosten und erwartete Rationalisierung bei höheren Stückzahlen. 2022 entwickelte Faradion gemeinsam mit AMTE und CATL Zellen mit bis zu 160 Wh/kg. Sie nutzten Berliner Blau als Kathode, neu entwickelten Hartkohlenstoff als Anode und Aluminium statt Kupfer als Leiterfolie. Durch Aluminium können die Akkumulatoren tiefentladen werden, ohne dass Kurzschlussbrücken entstehen; beim Transport gelten sie daher im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Akkumulatoren nicht als Gefahrgut.

2023 entwickelte NIU Technologies Zellen mit etwa 150 Wh/kg. Ende Dezember 2023 begann die Serienfertigung der ersten beiden Automodelle mit Natrium-Ionen-Batterie: JMEV EV3 und JAC E10X. CATL plante die Massenfertigung bis Ende 2025. Natron Energy nahm im April 2024 in Holland (Michigan) die erste kommerzielle Produktion solcher Batterien in den USA auf. Die Zellen erreichen zwar nur 16,5 Wh/kg, aber mehr als 50.000 Zyklen und sind deshalb vor allem für stationäre Energiespeicher vorgesehen. Acculon Energy kündigte für Mitte 2024 einen Produktionsstart in Ohio an. Northvolt plante eine Produktion mit Kathodenmaterial von Altris, meldete jedoch Ende 2024 in den USA Insolvenz an.

Im Mai 2024 ging in China das erste große Batteriespeicherkraftwerk mit Natrium-Ionen-Akkumulatoren in Betrieb. Es besitzt 10 MWh Kapazität und besteht aus 22.000 Zellen mit 210 Ah. Die Zellen können innerhalb von 12 Minuten zu 90 % geladen werden. In Schwarze Pumpe sollen außerdem keramische Festkörperbatterien mit Natrium-β-Aluminat-Festelektrolyten hergestellt werden; vorgesehen ist eine anfängliche Jahresproduktion von 100 MWh für den industriellen Einsatz.