Neue Prototypen erreichen fast 200 Wattstunden pro Kilogramm. Damit werden Natrium-Ionen-Batterien zur Lithium-Aternative. Neue Materialien, ausreichend verfügbare Rohstoffe und erste Serienprodukte erhöhen das Marktpotenzial. Damit gewinnt diese Technik für zukünftige Stromspeicher und die Elektromobilität an Bedeutung.
Natrium-Ionen-Batterien galten lange als günstige, aber vergleichsweise leistungsschwache Alternative zu Lithium-Ionen-Akkus. Neue Forschungsergebnisse zeigen jedoch, wie schnell sich dieser Abstand verkleinert. Fortschrittliche Prototypen erreichen inzwischen Energiedichten von annähernd 200 Wattstunden pro Kilogramm. Gleichzeitig beginnt die Industrie damit, Natrium-Ionen-Zellen in größeren Stückzahlen auf den Markt zu bringen. Damit könnte sich die Technologie sowohl für stationäre Stromspeicher als auch für Elektrofahrzeuge zu einer ernsthaften Alternative entwickeln.
Ein internationales Forschungsteam hat in einer aktuellen Übersichtsarbeit den Entwicklungsstand der wichtigsten Komponenten von Natrium-Ionen-Batterien untersucht. Die Analyse zeigt, dass insbesondere neue Elektrodenmaterialien und verbesserte Elektrolyte für die steigenden Energiedichten verantwortlich sind. Noch liegen viele Natrium-Ionen-Zellen unter dem Niveau moderner Lithium-Ionen-Batterien. Die Fortschritte der vergangenen Jahre machen den Abstand jedoch zunehmend kleiner.
Das Funktionsprinzip beider Batterietypen ist ähnlich. Beim Laden und Entladen bewegen sich Ionen zwischen Kathode und Anode. Während klassische Akkus Lithium verwenden, übernehmen bei der Natrium-Ionen-Technologie Natriumionen diese Aufgabe.
Der entscheidende Vorteil liegt bei den Rohstoffen. Natrium ist wesentlich häufiger verfügbar als Lithium und geografisch breiter verteilt. Carmen M. López, Principal Scientist in der Elektrochemie-Gruppe des britischen National Physical Laboratory, ordnete den Unterschied gegenüber Live Science so ein:
„Zum Vergleich: Natrium ist das sechsthäufigste Element auf der Erde und kommt natürlich in einer Konzentration von 2.360 Milligramm pro Liter vor. Lithium steht dagegen erst auf Platz 32 und weist eine natürliche Häufigkeit von 20 Milligramm pro Liter auf.“
Diese Rohstoffbasis könnte langfristig eine wichtige Rolle spielen. Mit dem weltweiten Ausbau von Photovoltaik und Windkraft steigt der Bedarf an Batteriespeichern erheblich. Gleichzeitig wächst mit der Elektromobilität die Nachfrage nach Batteriezellen. Natrium-Ionen-Technik könnte dazu beitragen, den Druck auf Lithium-Lieferketten zu reduzieren.
Ein vollständiger Ersatz von Lithium ist allerdings nicht zu erwarten. Wahrscheinlicher ist eine Aufteilung des Marktes nach Anwendungen. Hochleistungsfahrzeuge und Elektroautos mit besonders großer Reichweite könnten weiterhin auf Batterien mit hoher Energiedichte setzen. Natrium-Ionen-Zellen wären dagegen vor allem für günstigere Fahrzeuge, Nutzfahrzeuge und stationäre Speicher interessant.
Der wichtigste technische Nachteil von Natrium-Ionen-Batterien ist weiterhin ihre Energiedichte. Natriumionen sind größer und schwerer als Lithiumionen. Dadurch lässt sich bei gleichem Batteriegewicht grundsätzlich schwieriger eine vergleichbar große Energiemenge speichern.
Nach Angaben der aktuellen Forschungsübersicht bewegen sich Natrium-Ionen-Batterien derzeit typischerweise in einem Bereich von etwa 100 bis 160 Wattstunden pro Kilogramm. Fortschrittliche Prototypen kommen allerdings bereits in die Nähe von 200 Wattstunden pro Kilogramm. Verantwortlich dafür sind unter anderem neue Elektrodenmaterialien sowie Elektrolyte mit verbesserter Ionenleitfähigkeit und elektrochemischer Stabilität.
Die Schwelle von 200 Wh/kg ist deshalb mehr als eine technische Kennzahl. Sie entscheidet mit darüber, ob Natrium-Ionen-Zellen neben stationären Speichern auch für deutlich mehr mobile Anwendungen interessant werden. Je näher die Energiedichte an etablierte Lithium-Ionen-Chemien heranrückt, desto kleiner wird der Nachteil beim Gewicht und beim benötigten Bauraum.
Während die Forschung an der 200-Wh/kg-Grenze arbeitet, erreicht die Technologie gleichzeitig den kommerziellen Markt. CATL hat mit Naxtra eine Natrium-Ionen-Batterie für Elektrofahrzeuge vorgestellt, die eine Energiedichte von bis zu 175 Wattstunden pro Kilogramm erreichen soll. Damit bewegt sich die Technik bereits in einem Bereich, der für bestimmte Fahrzeugklassen attraktiv werden kann.
Besonders interessant ist die Leistung bei niedrigen Temperaturen. Hersteller und Forscher sehen in Natrium-Ionen-Zellen Vorteile bei Kälte, weil die verwendete Chemie auch bei niedrigen Temperaturen vergleichsweise leistungsfähig bleiben kann. Das könnte die Technologie gerade in Regionen mit kalten Wintern interessanter machen.
Gleichzeitig bleibt der Kostenvorteil ein zentrales Argument. Natrium ist günstig und weltweit verfügbar. Zudem können Natrium-Ionen-Zellen bei bestimmten Komponenten auf Materialien setzen, die preiswerter oder leichter verfügbar sind als die bei Lithium-Ionen-Batterien verwendeten Alternativen. Entscheidend wird jedoch sein, ob sich diese Vorteile auch in einer großskaligen Produktion tatsächlich in niedrigeren Zell- und Systemkosten niederschlagen.
Mindestens ebenso wichtig wie Elektroautos ist der Einsatz in stationären Speichern. Hier spielt das Gewicht einer Batterie eine wesentlich geringere Rolle. Entscheidend sind vielmehr Kosten, Sicherheit, Lebensdauer und die Verfügbarkeit der benötigten Materialien.
Gerade für Solar- und Windkraftanlagen könnte das relevant werden. Große Batteriespeicher nehmen Strom auf, wenn mehr Energie produziert als verbraucht wird, und geben ihn später wieder ins Netz ab. Bei solchen Anlagen ist eine besonders hohe gravimetrische Energiedichte weniger wichtig als bei einem Elektroauto. Günstige und langlebige Natrium-Ionen-Zellen könnten deshalb schon wirtschaftlich interessant werden, bevor sie bei der Energiedichte vollständig zu Lithium-Ionen-Batterien aufschließen.
Hinzu kommt ein strategischer Aspekt: Je stärker der Ausbau erneuerbarer Energien voranschreitet, desto wichtiger wird eine robuste Versorgung mit Speichertechnologien. Eine zusätzliche Batteriechemie kann Lieferketten breiter aufstellen und die Abhängigkeit von einzelnen Rohstoffen oder Förderregionen verringern.
Trotz der Fortschritte steht die Technologie vor mehreren Herausforderungen. Dazu zählen neben der geringeren Energiedichte unter anderem eine teilweise kürzere Zyklenlebensdauer, höhere Selbstentladung und noch nicht vollständig entwickelte Lieferketten für Materialien in Batteriequalität. Auch industrielle Produktionsschritte wie die Zusammensetzung der Elektrodenbeschichtung, Trocknungsprozesse und die Zellmontage müssen weiter optimiert werden.
Hinzu kommen Belastungen der Elektroden während des Ladebetriebs. Durch den größeren Radius der Natriumionen können Materialien stärkeren mechanischen Veränderungen ausgesetzt sein. Forscher untersuchen deshalb unterschiedliche Anodenklassen, neue Kathoden, Elektrolyte und Separatoren. Ziel ist es, hohe Kapazitäten mit möglichst langer Lebensdauer und stabilen Zellstrukturen zu verbinden.
Auch beim Thema Sicherheit ist eine differenzierte Betrachtung notwendig. Natrium-Ionen-Batterien besitzen zwar interessante thermische Eigenschaften, doch komplette Batteriesysteme benötigen weiterhin ausgefeilte Batterie- und Temperaturmanagementsysteme. Gute Eigenschaften einer einzelnen Zelle lassen sich nicht automatisch auf ein großes Batteriepaket übertragen.
Die aktuellen Entwicklungen zeigen, dass Natrium-Ionen-Batterien die Phase eines reinen Forschungsprojekts verlassen. Kommerzielle Zellen nähern sich bereits Energiedichten, die für zahlreiche Anwendungen interessant sind. Forschungsprototypen zeigen zugleich, dass Werte um 200 Wattstunden pro Kilogramm technisch erreichbar sind.
Damit verändert sich die Ausgangslage. Natrium-Ionen-Batterien müssen Lithium-Ionen-Akkus nicht in jeder technischen Kennzahl schlagen, um wirtschaftlich erfolgreich zu werden. Für viele Anwendungen reicht es, eine ausreichende Energiedichte mit niedrigen Kosten, guter Sicherheit, hoher Kältefestigkeit und einer weniger angespannten Rohstoffversorgung zu verbinden.
Die kommenden Jahre dürften deshalb weniger von einem direkten Wettbewerb nach dem Prinzip „Natrium gegen Lithium“ geprägt sein. Vielmehr könnte sich ein Markt mit mehreren Batteriechemien entwickeln, die je nach Einsatzgebiet unterschiedliche Stärken ausspielen. Für stationäre Speicher ist Natrium bereits besonders interessant. Mit Energiedichten nahe 200 Wattstunden pro Kilogramm wächst nun aber auch das Potenzial in der Elektromobilität erheblich.
Sollten sich die Werte heutiger Prototypen zuverlässig in industrielle Großserien übertragen lassen, wäre die wichtigste Schwäche der Natrium-Ionen-Technologie deutlich kleiner geworden. Aus einer günstigen Alternative für spezielle Anwendungen könnte dann eine zweite wichtige Säule des globalen Batteriemarktes werden.
