Der Natrium-Ionen-Akkumulator, englisch sodium-ion battery (abgekürzt SIB), dient – wie alle Akkumulatoren – der Speicherung elektrischer Energie und nutzt dabei Ionen des Alkalimetalls Natrium.
Allgemeines Bearbeiten
Natrium-Ionen-Batterien werden bei Umgebungstemperatur und mit organischen oder mit anorganischen, wässrigen Elektrolyten betrieben. Ein großer Vorteil der Variante mit organischen Elektrolyten ist, dass sie größere Zellspannungen als mit wässrigen Lösungen erlaubt.
Natrium-Ionen-Batterien mit anorganischen, wässrigen Elektrolyten werden auch Salzwasserbatterie genannt. Sie sind preiswerter als die Varianten mit organischen Elektrolyten. Die Energiedichte der Natrium-Ionen-Akkumulatoren mit wässrigen Elektrolyt ist allerdings kleiner als bei organischem Elektrolyt. Sie eignen sich daher kaum für den mobilen Einsatz, sondern werden als stationäre Akkus, z. B. als Heimspeicher für Solarenergie, angeboten. Natrium-Ionen-Akkumulatoren vom Salzwassertyp sind unbrennbar und damit sicherer als die Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulatoren, welche im Fehlerfall thermisch durchgehen können.
Vorteile von Natrium-Ionen-Akkumulatoren Bearbeiten
Natrium ist wesentlich preiswerter als Lithium und weltweit leicht und praktisch unbegrenzt verfügbar. Daraus ergibt sich ein Kostenvorteil bei den Rohmaterialien der Batterieherstellung und perspektivisch eine günstigere Fertigung als bei der Lithium-Ionen-Technik. Natriumchlorid ist der mengenmäßig zweitgrößte Bestandteil von Meerwasser und sowohl die Gewinnung von Meersalz als auch der Abbau untertägiger Vorkommen sind seit Jahrhunderten etabliert. Große Mengen Natriumsalze fallen auch als Kuppelprodukt anderer Abbauprozesse wie der Gewinnung von Kalisalzen an und werden teilweise, mangels Bedarf, zu Kalihalden aufgetürmt. Bedeutsamer ist jedoch, dass manche Bauformen von Natrium-Ionen-Akkumulatoren ohne Kupfer, Cobalt und Nickel auskommen können. Insbesondere Cobalt und Nickel gelten als teure und kritische Materialien bei Lithium-Ionen-Akkus. Natrium-Ionen-Akkus nutzen hingegen einen Pluspol aus Preußisch Weiß oder Preußisch Blau, einem Komplex auf Eisenbasis, der günstig ist und in großer Menge zur Verfügung steht. Anstelle von Grafit als Anodenmaterial kann Hartkohlenstoff verwendet werden, der leichter verfügbar und günstiger ist. Mit Stand 2023 sind Natrium-Ionen-Akkus ca. 40 % günstiger als Lithium-Ionen-Akkus, weisen jedoch eine geringere Energiedichte auf.
Aufgrund der Verwendung im Überfluss vorkommender und damit günstiger Materialien gelten Natrium-Ionen-Akkus als vielversprechende Akkumulatorbauform für Energiespeicher, bei denen es nicht auf das Gewicht des Akkumulators ankommt (Natrium ist ca. 81 % schwerer als Lithium), beispielsweise stationäre Batterie-Speicherkraftwerke für Windenergie und Solarenergie. Mit Fortschritten der Entwicklung rücken aber auch mobile Anwendungen wie E-Autos zunehmend in den Fokus. Auch hinsichtlich der Nachhaltigkeit und der Handhabung (siehe: Gefahren beim Umgang mit Lithium-Ionen-Akkus) sind Natriumzellen eine vorteilhafte Alternative. Hinzu kommt, dass sich die Zellen auf denselben Anlagen wie Lithium-Ionen-Akkumulatoren fertigen lassen. Zudem können potentiell schnelle Ladezeiten von etwa 15 Minuten von 0 bis 85 % erreicht werden.
Thermalbatterien mit Natriummetall Bearbeiten
Diese nutzen einen Festelektrolyten (vom Typ Natrium-β-aluminat) zum Transport der Natriumionen. Da die Leitfähigkeit von Festelektrolyten nur bei genügend hohen Temperaturen groß genug ist, müssen die Zellen auf hoher Temperatur gehalten werden. Dafür kann die Minuspolseite aus dem preiswerten flüssigen Natrium bestehen, die Pluspolseite aus Schwefel beim Natrium-Schwefel-Akkumulator und aus Nickelchlorid bei der Zebra-Batterie (=Natrium-Nickelchlorid-Akkumulator). Im Gegensatz zu den preiswerten Elektroden ist der Festelektrolyt relativ teuer.
Natrium-Ionen-Batterien mit wässrigen Elektrolyten Bearbeiten
Dieser Akkumulatortyp wird unter anderem mit Bezeichnungen wie Salzwasserbatterie, englisch Salt water battery, vermarktet. Eine Besonderheit dieses Akkumulatortyps ist, dass er im Gegensatz zu den meisten Akkumulatoren, speziell der Gruppe der Lithium-Ionen-Akkumulatoren, tiefentladefest ist und bis zu einer Entladeschlussspannung von 0 V entladen werden kann, ohne Schaden zu nehmen.
Die Energiedichte der wässrigen Natrium-Ionen-Akkumulatoren liegt mit 12 bis 24 Wattstunden pro Liter weit unterhalb derer von Blei- oder Lithium-Ionen-Akkumulatoren, was zwar bei ortsfesten Anlagen kein Problem darstellt, diese Natrium-Ionen-Akkus jedoch für mobile Anwendungen ungeeignet macht. Sie weisen zudem eine geringere Zyklenfestigkeit auf.
Die entnehmbare Kapazität ist stark von der Entladestromstärke abhängig. Deshalb eignen sich solche Natrium-Ionen-Akkus eher für Anwendungen, die geringe bis mittlere Ströme benötigen, dies jedoch über lange Zeiträume.
Natrium-Ionen-Akkumulatoren mit organischen Elektrolyten Bearbeiten
Bei der Gruppe der Natrium-Ionen-Akkumulatoren mit organischen Elektrolyten, die zurzeit intensiv erforscht werden, gibt es eine große Vielfalt an vorgeschlagenen Materialien für Anode, Kathode und Elektrolyt. Daraus ergeben sich viele denkbare Kombinationen, die zu unterschiedlichen Akkumulator-Parametern führen, zu denen vor allem die Zellspannung gehört. Je nach verwendeten Materialien ergeben sich daraus Zellspannungen im Bereich zwischen 2 und 3,5 Volt.
Elektrolyte Bearbeiten
Die am häufigsten vorgeschlagenen Elektrolyte für Natrium-Ionen-Akkumulatoren sind, analog zu Lithium-Ionen-Akkumulatoren, Lösungen von Natriumsalzen wie zum Beispiel Natriumhexafluorophosphat. Das häufig in akademischer Forschung verwendete Natriumperchlorat ist aufgrund seiner Explosionsgefahr für kommerzielle Zwecke ungeeignet. Das Lösungsmittel besteht meist aus binären oder tertiären Mischungen von verschiedenen organischen Carbonaten wie Propylencarbonat, Ethylencarbonat und Diethylcarbonat. Je nach erwünschten Eigenschaften kommen auch kurzkettige Ether gelegentlich zum Einsatz.
Anoden Bearbeiten
Als Anodenmaterial wird unter anderem Kohlenstoff in Form von Graphen eingesetzt – metallisches Natrium ist als Anodenmaterial zwar prinzipiell möglich, das Alkalimetall wird allerdings durch die Substanzen im Elektrolyt chemisch angegriffen. Neuere Forschungen schlagen vor, bei hoher Temperatur in Stickstoff verschweltes Chinacridon zu verwenden, ein organisches Pigment das zur Herstellung von roter bis violetter Farbe verwendet wird.
Kathoden Bearbeiten
Als Kathodenmaterialien werden verschiedene, Natriumionen enthaltende Materialien wie Phosphate und Diphosphate erforscht, beispielsweise Natriumeisenphosphat.
Marktverfügbarkeit Bearbeiten
2017 spielten Natrium-Ionen-Akkumulatoren wirtschaftlich nur eine geringe Rolle, waren aber in verschiedenen Formen und Variationen Gegenstand von Forschungsarbeiten. 2018 hatte sich die Position der Natrium-Ionen-Akkumulatoren etwas verbessert, da die Herstellungskosten gegenüber Lithium-Akkus gesunken und eine weitere Rationalisierung durch einfachere Bauweise bei höheren Stückzahlen zu erwarten war.
Das britische Unternehmen Faradion, in Partnerschaft mit dem britischen Akkuhersteller AMTE und der chinesische Hersteller CATL, hat im Jahr 2022 Natrium-Ionen-Akkumulatoren in erster Generation mit bis zu 160 Wh/kg entwickelt. Diese Akkus verwenden als Kathodenmaterial Berliner Blau und als Anodenmaterial einen neu entwickelten harten Kohlenstoff, während als Leiterfolie Aluminium anstelle von Kupfer wie bei Lithium-Ionen-Akkumulatoren verwendet wird. Letzteres ist möglich, da Natrium im Gegensatz zu Lithium nicht mit Aluminium reagiert und den Vorteil bietet die Akkumulatoren tiefentladen zu können ohne sie zu beschädigen, da Aluminium im Gegensatz zu Kupfer keine Brücken ausbildet (Kurzschluss), weshalb sie beim Transport im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Akkumulatoren kein Gefahrgut darstellen.
Der chinesische Hersteller NIU Technologies hat 2023 Zellen mit einer Energiedichte im Bereich von ca. 150 Wh/kg entwickelt, was unterhalb der besten Lithium-Ionen-Zellen mit bis ca. 260 Wh/kg liegt, aber vergleichbar ist mit günstigen Lithium-Ionen-Zellen. Zudem existiert mit dem Sehol E10X ein Prototyp eines Elektroautos mit Natrium-Ionen-Akkumulatoren.
Literatur Bearbeiten
- Bruno Scrosati, Jürgen Garche, Werner Tillmetz: Advances in Battery Technologies for Electric Vehicles. 1. Auflage. Woodhead Publishing, 2015, ISBN 978-1-78242-377-5.
Weblinks Bearbeiten
Nachweise Bearbeiten
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