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Natrium- die Alternative zu Lithium ?

Durch die von der Bundesregierung und der EU massiv geförderte Umstell-ung des Verkehrs auf E-Mobilität steigt die Nachfrage nach Lithium und Kobalt stark an. Allein von Jan. 2021 bis Dez. 2021 stieg der Lithiumpreis von 6000 US-Dollar auf 22.000 US-Dollar und bei Kobalt von 54.628 US-Dollar auf 70.164 US-Dollar an. Und wir stehen erst am Beginn einer zweifelhaften Ent-wicklung. Denn die Herstellung ist umwelt-und menschenfeindlich.

Beachten Sie in diesem Zusammenhang bitte unsere Beiträge zu diesem Thema. Diese finden Sie hier (Lithiumproblematik) und hier. (Nasszellen-problematik)

Aufgrund der hohen Preise und der Verfügbarkeit in nur wenigen Ländern sucht man seit längerer Zeit nach Alternativen. Und die will man jetzt im Alkali-Metall Natrium gefunden haben. Natrium-Ionen-Accus funktionieren ohne teuren Kupfer, Lithium und Kobalt. Und Nickel wird durch Alluminium ersetzt. Natrium ist ein natürlicher Bestandteil von Kochsalz und daher weltweit und preiswert verfügbar. Es lagert als Natriumchlorid massenhaft in Meeren und in Salzstöcken. 

Klingt vielversprechend. Und könnte mit Natrium-Ionen-Accus auch das Speicherproblem gelöst werden? Das wollen wir im Folgenden untersuchen.  

Drop-In-Technologie Natrium-Ionen-Akkumulator

what is that ?

Der Natrium-Ionen-Akkumulator dient der Speicherung elektrischer Energie und nutzt dabei die Ionen des Alkalimetalls Natrium. Die neueste Technik setzt auf Natrium-Schwefel-Akkumulatoren. Die Natriumionen (elektrisch geladene Atommoleküle) dienen dabei der Ladungsspeicherung in den Elektroden. Neben den Natrium-Schwefel-Accus gibt es auch Natrium-batterien mit wässrigen Elektrolyten. Diese werden dann Salzwasser-batterien genannt. Die chinesische Firma CATL hat einen Natriumionen-Akku entwickelt, der ohne Lithium, Kobalt und Kupfer funktioniert. Er ist nicht brennbar wie Lithium und bleibt selbst bei Minustemperaturen von 49 Grad C voll funktionsfähig. Und wenn der Natrium-Akku nur zu 80 % aufgeladen wird, übersteht die Batterie angeblich problemlos rd. 3000 Be-und Entladevorgänge. Außerdem beträgt die Ladezeit nur wenige Minuten.

Ende der Lithiumionenbatterie in Sicht ?

die Natrium-Ionen-Accus haben mit rd. 1000 Be-und Entladevorgängen (bei 100 % Ladung) zwar eine ganz ordentliche Zyklenfestigkeit, reichen aber an die Lithium-Eisen-Phosphat-Accus noch lange nicht heran. alle Grafiken: Andreas Schmitz, Youtube vom 8.8.2021
die spez. Speicherdichte von Natrium-Ionen-Batterien liegt ebenfalls mit 150 Wh/kg ebenfalls unter den Durchschnittswerten der Lithium-Kobalt-Batterien
die volumetrische Energiedichte liegt bei Natrium-Schwefel-Batterien bei 300 Wattstunden und damit ebenfalls unter den Durchschnittswerten von NMCX811 und LFP-Batterien
mit rd. 60 EUR pro kWh liegt der Preis unter allen anderen Lithium-Kobalt-Nickel-Batterietypen. Das ist ein echter Vorteil.

Ist damit das Ende der Lithium-Ionen-Batterie eingeläutet? Nicht ganz! Denn obschon die Natrium-Ionen-Batterie unbestreitbare Vorteile hat, gibt es auch eine ganze Reihe von Einschränkungen. Um diese zu veran-schaulichen, haben wir diese in einem Raster in Anlehnung an einer Schablone von Andreas Schmitz (youtube vom 8.8.2021) aufgeteilt.

Zur Bedeutung der Abkürzungen:

Na+ steht für Natrium; NMC811 steht für Nickel-Mangan-Lithium-Verbindung. Hierbei handelt es sich um die sog. Lithium-Polymer-Accumulatoren. NMX steht für Nickel-Mangan-Accus (ohne Kobalt) und LFP für Lithium-Eisen-Phosphat. Dieser Akku-Typ kommt ohne Kupfer und ohne Nickel aus. 

Wir haben uns die Zellchemie daher einmal näher angesehen und diese aufgeteilt nach

Zyklenfestigkeit ( d.h., wie oft kann man die Batterie be-und entladen), nach 

spezifischer Energiedichte (wh) ( d.h., wieviel Speichermöglichkeit besteht pro kg), nach

Ladegeschwindigkeit

volumetrischer Energiedichte (d.h. Speichermöglichkeit nicht pro kg sondern pro Volumen bei begrenztem Bauraum in einem Auto) und dem

Preis (in EUR)    

vorläufiges Fazit

Die Natrium-Ionen-Batterie ist aufgrund der hohen Verfügbarkeit von Kochsalz preiswert, umweltfreundlich herstellbar und verfügt mit rd. 12 Minuten über eine schnelle Ladefähigkeit. Lädt man die Batterie nicht zu 100, sondern nur zu 80 % auf, dann erreicht sie anstatt 1000 bis zu 3000 Ladezyklen. Die typischen Kathoden-Metalle wie Nickel und Kobalt entfallen. Kahtodenseitig kommt Preußisch-Blau, ein ungiftiger Farbstoff, zum Einsatz. Außerdem haben Natrium-Ionen-Batterien eine erstklassige Tieftemperatur-Performence.

Leider erreicht die Natrium-Ionen-Batterie noch lange nicht die hohe Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien. Geringere Energiedichte bedeutet allerdings auch eine geringere Reichweite. Die Anwendung befindet sich darüber hinaus auch noch im Versuchsstadium.

Ferner ist Natrium dreimal so schwer wie Lithium. Dementsprechend sind auch die Akkus schwerer. Das geht ebenfalls zu Lasten der Reichweite. Und leisungsschwächer sind Natrium-Ionen Accus leider auch. Hier könnte in Zukunft eventuell Graphen, ein hauchdünner Kohlenstoff, Abhilfe schaffen. Denn Graphen-Elektroden leiten den Strom besser durch die Anoden. Dadurch ließe sich möglicherweise eine höhere Speicher-kapazität erzielen.

Aber diese Anoden, die vielen Natrium-Ionen Platz bieten und Elektrolyte fernhalten müssen nach Angaben von Tim-Patrick Fellinger von der Bundesanstalt für Materialforschung  erst noch zur Serienreife gebracht werden. Daran forscht auch das Helmholtz-Zentrum in Berlin, die Techn. Universität Berlin sowie das Zentrum für Sonnenenergie und Wasser-stoffforschung in Ulm.  

Quellenhinweise:

Tagesspiegel.de vom 30.03.2021; energie-blog.de vom 17.08.2021; Handelsblatt vom 09.08.2021; N.N.: Natrium statt Lithium: die Akkus der Zukunft, in: Deutsche Welle vom 04.01.2022; ingenieur.de vom 16.07. 2021; wikipedia.org ( Definition Natrium-Ionen-Akkumulator); electrive.net vom 23.08.2021 sowie RK-Redaktion vom 14.01.2022

Fotonachweise:

Header: Elektric-Car: pixabay.com, links darunter: pixabay.com, rechts darunter (Lithium-Knopfbatterie): pixabay.com; Stabdiagramme: Andreas Schmitz

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