Natrium-Ionen-Batterien locken mit verminderter Rohstoffabhängigkeit und niedrigen Kosten. Doch es gibt noch Forschungsbedarf und die asiatische Konkurrenz steht auch schon in den Startlöchern.
Abbildung 1: Struktur und Zellkomponenten von Lithium-Ionen (LIB) und Natrium-Ionen-Batterien (SIB). Aus: Umfeldbericht zu Natrium-Ionen-Batterien 2023: Status Quo und Perspektiven entlang einer zukünftigen Wertschöpfungskette, Seite 8, September 2023.
Fraunhofer FFB
Obwohl bereits seit den 1980er Jahren intensiv erforscht, sind Natrium-Ionen-Batterien (NIB oder sodium-ion batteries, SIB) derzeit das große Trendthema in der Batterieindustrie. Seit geraumer Zeit sind Forscher schon auf der Suche nach Alternativen zur Lithium-Ionen-Batterie (LIB), die in vielen Fällen aufgrund ihrer technologischen Ähnlichkeit (Natrium ist Lithium in den Grundeigenschaften sehr ähnlich) als Benchmark für die SIB dient. Zwar ist die LIB der SIB technologisch oftmals überlegen, doch die Natrium-Variante punktet mit Eigenschaften, die in den vergangenen Jahren immer wichtiger geworden sind: Lieferkettenresilienz und Nachhaltigkeit.
Die Natrium-Ionen-Batterie kommt ohne Lithium aus. Im Vergleich mit LIB-Zellen zeichnen sich NIB-Zellen durch eine gute Ressourcenverfügbarkeit, Sicherheit und Tiefentladefähigkeit aus, wie aus einem Umfeldbericht hervorgeht, der in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Institut für Produktionstechnologie (IPT), dem Lehrstuhl PEM der RWTH Aachen und dem Fraunhofer Institut für System- und Innovationsforschung (ISI) entstanden ist. Natrium ist in Deutschland nahezu unbegrenzt und damit kostengünstig verfügbar, zum Beispiel in Form von Natriumchlorid, also Kochsalz oder Natriumcarbonat (Soda). Die erhöhte Rohstoffverfügbarkeit von Natrium (im Vergleich zu Lithium) macht es so zu einem leicht zugänglichen und potenziell skalierbaren Ausgangsrohstoff für Energiespeichersysteme. Natrium-Ionen-Akkumulatoren punkten zudem mit einer höheren Lebensdauer. Auch brandsichere Natrium-Ionen-Akkus sind möglich.
Knackpunkt Energiedichte
Allerdings verfügt Natrium nicht über eine so hohe Energiedichte wie Lithium. Derzeit liegt die Energiedichte etwa zwischen 140 bis zu 160 Wh/kg. Die besten LIB-Akkus schaffen heute 260 Wh/kg. Das heißt die NIB-Zelle kann weniger Energie zur Verfügung stellen als eine vergleichbare LIB-Zelle. Folglich wird derzeit vor allem daran geforscht die Energiedichte zu erhöhen. Die Na-Ionen-Technik bietet eine Vielfalt an einsetzbaren Materialien. "Die negative Elektrode kann ähnlich einem Lithium-Ionen-Akkumulator aus Kohlenstoff bestehen, daneben kommen diverse Metalloxide oder Legierungen in Betracht. Neben selteneren Materialien kommen für die Pluselektrode ebenfalls Natrium-Metall-Oxide (bei Lithium-Ionen-Akkumulatoren Lithium-Metall-Oxide), andere Metall-Oxide oder Natrium-Eisen-Phosphat in Betracht", erläutert Springer-Autor Kai Borgeest im Buchkapitel Energiespeicher.
Neben der Materialentwicklung sind weitere F&E-Herausforderungen die Entwicklung eines geeigneten Batteriemanagementsystems, die Skalierung der Produktion und das Recycling. Mittelfristig betrachtet, sollen die NIB nicht an die Leistungsmerkmale der LIB heranreichen, prognostiziert der Umfeldbericht. Doch gerade für urbane Mobilitätslösungen (zum Beispiel Kleinwagen, E-Bikes, Busse) und Heimspeicher könnten Natrium-Ionen-Batterien aufgrund ihres potenziell günstigeren Preises eine attraktive Lösung sein.
China ist Treiber der Entwicklung von Na-Ionen-Batterien
Verschiedene neue und auch aus der LIB-Produktion bekannte industrielle Akteure stellen bereits Prototypen her oder sind schon in die Produktion von NIB eingestiegen. Bis zum Jahr 2030 sollen sich nach Angaben der Zellhersteller die global angekündigten Produktionskapazitäten für NIB-Zellen auf 75 GWh belaufen, so der Umfeldbericht. Die SIB-Nachfrage soll bis 2030 stark anwachsen und zwischen 125 bis 400 GWh liegen.
Asiatische Unternehmen sind maßgeblich am technologischen Fortschritt von SIB beteiligt. Insbesondere in China wird intensiv an der Entwicklung und Produktion von Aktivmaterialien für Natrium-Ionen-Batterien geforscht. Seitdem der chinesische Batteriehersteller CATL im Juli 2021 die erste Generation der vom Unternehmen entwickelten SIB vorgestellt hat, ist das Interesse gegenüber der LIB-Alternative gewachsen. Natrium-Ionen-Zellen von CATL und BYD sollen wohl noch 2023 in Elektrofahrzeugen zum Einsatz kommen. CATL benutzt als Kathodenmaterial Preußisch Weiß (ein Teil der Eisenionen wird durch Natrium ersetzt), als Anodenmaterial kommen Hard Carbons (nichtgraphitisierbarer beziehungsweise amorpher Kohlenstoff) zum Einsatz. Der chinesische Spezialist für Pouch-Zellen Farasis will bald die Renault-Tochter Jiangling Motors Electric Vehicle (JMEV) mit Natrium-Ionen-Akkus für das Model EV3 beliefern. Der chinesische Batteriehersteller Hina Battery hat im November 2022 eine 1-GWh-Produktionsanlage in Betrieb genommen. Energy Technology aus China will bis 2025 eine Produktion mit 50 GWh aufbauen.
In den Vereinigten Staaten ist Natron Energy der einzige derzeit bekannte Akteur, der sich auf High-Power-SIB mit hoher zyklischer Lebensdauer und geringer spezifischer Energie für stationäre Anwendungen fokussiert, so der Umfeldbericht. Natron Energy ist eine Partnerschaft mit Clarios, einem Spezialisten für Niederspannungsnetze und -batterien, für die SIB-Massenproduktion eingegangen. Doch auch in Europa tut sich etwas: Das französische Start-up Tiamat Energy will 6 GWh Produktionskapazitäten bis zum Jahr 2030 aufbauen. Und das britische Unternehmen Faradion, führend in der Forschung und Entwicklung von SIB-Zellsystemen, hat bereits 2015 ein E-Bike mit SIB-Pouchzellen ausgestattet.
Abbildung 18: Zeitliche Entwicklung der SIB-Ankündigungen und Markterwartung. Aus: Umfeldbericht zu Natrium-Ionen-Batterien 2023: Status Quo und Perspektiven entlang einer zukünftigen Wertschöpfungskette, Seite 37, September 2023.
Fraunhofer FFB
Kostenvorteil von Natrium-Zellen liegt bei bis zu 40 %
Das Schicksal der Natrium-Ionen-Batterien wird wahrscheinlich mit den Kosten für Lithium zusammenhängen. Die Materialien für Na-Ionen-Batterien sind weltweit zwar preiswert verfügbar, doch ob "eine Na-Ionen-Batterie im Großserienmaßstab aber wirklich Kostenvorteile bietet, ist stark von der jeweiligen Zellchemie, den Stückzahlen und der Effizienz der Fertigung abhängig", gibt Richard Backhaus im Artikel Zellentwicklungen für die Batterien künftiger Elektrofahrzeuge zu bedenken. Experten schätzen den Kostenvorteil von Natrium-Zellen gegenüber Lithium-Ionen-Produkten auf 30 bis 40 %. Energy Technology aus China hat als zukünftiges Preisziel für SIB 40 US-Dollar pro Kilowattstunde ausgegeben.
Dr. Florian Degen, Bereichsleiter für Strategie- und Unternehmensentwicklung an der Fraunhofer FFB, weist auf den weiteren Förderbedarf und Ausbau der F&E-Aktivitäten hin, um den Einstieg in einen unabhängigen europäischen Markt zu ermöglichen: "In Deutschland und Europa sind die Voraussetzungen für den Erfolg von Natrium-Ionen-Batterien gegeben. Für den Aufbau einer NIB-Industrie wird entscheidend sein, wie sich die Preise und die Lieferkette für LIB-Materialien zukünftig entwickeln".