Rohstoffknappheit war das größte Hindernis der Energiewende im Straßenverkehr. Natrium-Ionen-Akkus könnten es beseitigen und - sie funktionieren!
Eine Übersicht zur Forschung an Natrium-Ionen-Akkus aus dem Jahr 2017.
Durchbrüche in der Technik sind selten, aber gerade in der Akkutechnik wurden sie immer wieder angekündigt. Diesmal ist es ernst. Natrium-Ionen-Akkus haben den Sprung vom theoretischen Konzept zur praxistauglichen Technologie geschafft. Ihre Produktion wird nicht durch knappe Ressourcen begrenzt. Es klingt fast zu schön, um wahr zu sein. Die Produktion der Kathoden benötigt keine seltenen Lithiumsalze, stattdessen genügt einfaches Speisesalz. Brauchbare Anoden können aus Braunkohle, Holz und anderer Biomasse hergestellt werden. Es wird kein Kobalt benötigt und keine vergleichbar seltenen oder teuren Rohstoffe.
Ihre Energiedichte entspricht aktuell der von Lithium-Ionen-Akkus aus dem Jahr 2000 und die Entwicklung ist noch nicht zu Ende. Es gab nicht den einen Forscher, der den Durchbruch schaffte, aber der Durchbruch ist da. Inzwischen liegen wissenschaftliche Veröffentlichungen mit vielen unterschiedlichen Prototypen dieser Technologie aus der ganzen Welt vor.
Prototypen überstehen mehr als 500 Ladezyklen
Obwohl Lithium und Natrium chemisch sehr ähnlich sind, waren Natrium-Ionen-Akkus lange wenig mehr als ein Konzept. Die Forschung konzentrierte sich seit den 1980er Jahren auf das leistungsfähigere Lithium. Erst 2012 tauchten wieder vermehrt Paper aus der angewandten Forschung mit möglichen Konzepten für brauchbare Natriumkathoden und -anoden auf. Ihre Leistung überzeugte niemanden.
Als Golem.de 2017 einen Artikel dazu veröffentlichte, schien ein praktischer Akku noch in weiter Ferne zu liegen. 50 bis 80 Ladezyklen galten damals schon als gute Leistung. Aber gerade zu dieser Zeit wurden einige der größten Probleme überwunden und 2020 ist es offensichtlich: Die Technik funktioniert.
Ein koreanischer Natrium-Ionen-Akku schaffte laut einer Veröffentlichung vom Mai 2020 etwa 500 vollständige Ladezyklen, bevor seine Kapazität auf 80 Prozent sank. Ein Natrium-Ionen-Akku einer US-amerikanisch-chinesischen Forschergruppe, mit einem anderen chemischen Aufbau, schaffte bei ähnlicher Ladekapazität 450 Ladezyklen.
In der Praxis wären es wohl mehr Ladezyklen, denn das vollständige Be- und Entladen des Akkus ist eine stärkere Belastung als das nur teilweise Be- und Entladen im Alltag. Eine chinesische Gruppe demonstrierte im vergangenen Jahr bereits einen anderen Akku mit etwas geringerer Kapazität, der nach 1.200 Zyklen mit 12 Minuten Schnellladung noch 70 Prozent der Kapazität behielt.
Unter diesen drei Konzepten - es gibt noch viele mehr - hat der koreanische Akku die höchste Kapazität. Er nutzt keine knappen Rohstoffe. Die Kathoden sind kobaltfrei und verwenden als Metalle nur Natrium, Mangan und Eisen, zusammen mit 10 Prozent Nickel. Außerdem ist Natrium mit Aluminium als elektrischem Anschluss kompatibel und ersetzt das bei Lithiumakkus notwendige Kupfer. Es gibt auch Akkus mit Kathoden aus Preußisch Blau, in denen als Metalle nur Natrium und Eisen vorkommen, wenn auch mit weniger Kapazität.
Das koreanische Akkukonzept sollte in seiner Form zu einem Gewicht von etwa 6,5 kg pro Kilowattstunde führen, wenn das Material in herkömmlichen 18650-Zellen verbaut wird. Das Ende der Entwicklung ist damit aber noch nicht erreicht. Aktuelle Lithium-Ionen-Akkus kommen auf knapp 4 kg/kWh. Exemplare mit 2,5 kg/kWh existieren, überstehen aber nur etwa 200 Ladezyklen. Einen großen Teil dieses Rückstandes sollten Natrium-Ionen-Akkus mit mehr Entwicklung noch wettmachen können. Natrium-Ionen-Akkus mit weniger als 5 kg/kWh gelten als absolut möglich.
Im Vergleich zu Akkus mit Lithium verlieren Akkus mit Natrium unvermeidlich etwa 10 Prozent Energiedichte durch die 0,3 Volt niedrigere Zellspannung. Noch etwas mehr Energiedichte verlieren sie dadurch, dass Natrium dreimal so schwer ist wie Lithium. Allerdings macht Lithium in aktuellen Akkus nur 3-4 Prozent des Gesamtgewichts aus. Die kleinen Unterschiede im chemischen Verhalten machen es allerdings nötig, dass die Materialien für Natrium völlig neu entwickelt werden müssen. Dort haben Lithium-Ionen-Akkus einen Vorsprung von 20 Jahren intensiver Entwicklung. Allerdings stehen für Natrium mehr mögliche chemische Verbindungen zur Verfügung, wodurch sich auch knappe Ressourcen leichter vermeiden lassen.
Die Erfahrung aus der Entwicklung der Lithium-Ionen-Akkus half den Forschern aber auch dabei, schnellere Fortschritte zu machen. Die Konzepte sind sich so ähnlich, dass Fabriken für Lithium-Ionen-Akkus relativ einfach auf Natrium-Ionen-Akkus umgestellt werden könnten. Ein großes Hindernis war die Anode, in der die Natrium-Ionen beim Laden des Akkus gespeichert werden. Versuche mit Graphit, etwa in Lithium-Ionen-Akkus, scheiterten. Natrium-Ionen sind etwas größer und passen nicht zwischen die Kohlenstoffschichten des Graphits. Graphen und Kohlenstoffnanoröhren waren besser, aber viel zu teuer.
Letztlich folgte die Erkenntnis, dass der Kohlenstoff in verkohlter Biomasse in großen Teilen die passende Struktur für ein Anodenmaterial zur Speicherung der Natriumionen hat. Die Entwicklung wurde lange durch die Tatsache behindert, dass Natriumionen deutlich reaktiver sind als Lithium-Ionen. Selbst langlebige Natriumanoden wurden in einigen Experimentalaufbauten vorzeitig zerstört, wenn sie nur zusammen mit großen Mengen Natrium in einem Elektrolyt getestet wurden. Echte Kathoden liefern die Natrium-Ionen viel langsamer und in niedrigerer Konzentration. Viele Experimente dürften dadurch gescheitert sein, anders als bei der Entwicklung von Lithium-Ionen-Akkus, bei denen der Effekt viel kleiner ist.
In der Anode haben sich eine Vielzahl von Ausgangsstoffen wie etwa Holz, Maiskolben und Erdnussschalen bewährt, auch Kaffeesatz funktioniert. Braunkohle ist wohl der preislich attraktivste Ausgangsstoff. Chinesische Forscher fanden heraus, dass 2,5 kg Braunkohle genug Material für 1 kWh Speicherkapazität lieferten. Einige der besten Ergebnisse erzielten mit Schwefel gedopte verkohlte Frühlingszwiebelschalen.
Dabei zeigte erst vor wenigen Tagen eine neue Veröffentlichung, dass dieser Schwefelprozess auch bei anderen Materialien die Kapazität der Anoden um etwa 50 Prozent erhöht und dabei mehr Ladezyklen mit höherer Ladegeschwindigkeit ermöglicht, wahrscheinlich auch bei Braunkohle. Es gibt aber auch andere Ansätze, die ohne Biomasse auskommen, zum Beispiel eine Kombination aus Eisensulfid und Eisenoxid, die in einem elektrochemischen Prozess mit Kohlenstoff überzogen wird.
Kathoden ohne seltene Metalle
Inzwischen konzentriert sich die Entwicklung hauptsächlich auf die Suche nach besseren Kathodenmaterialien, deren Kapazität im Vergleich zu den Anoden nun deutlich zurückliegt. Auf seltene Rohstoffe wird dabei oft verzichtet, um über den Preis mit Lithium-Ionen-Akkus höherer Energiedichte konkurrieren zu können. Je nach Anwendungszweck konzentriert sich die Weiterentwicklung nun darauf, die Energiedichte zu verbessern, mehr und schnellere Ladezyklen zu ermöglichen oder ohne Rücksicht auf ein höheres Gewicht die Kosten noch weiter zu reduzieren.
Die günstigsten Lithium-Ionen-Akkus können inzwischen für rund 100 Euro pro Kilowattstunde produziert werden. Dabei haben sich die Kosten zuletzt alle drei Jahre halbiert, hauptsächlich durch größere und rationalere Produktion. Dieser Trend kann aber nicht weitergehen, denn die Kosten der Rohstoffe machen einen immer größeren Teil der Gesamtkosten aus. Durch den Verzicht auf Lithium und Kobalt und die Reduktion anderer teurer Materialien erscheinen nun langfristig noch niedrigere Produktionskosten realistisch.
Voraussetzung dafür sind aber zunächst entsprechend große Fabriken, die durch Automatisierung und Skaleneffekte die Herstellungskosten reduzieren. Außerdem müssen die neuen Produktionsprozesse optimiert werden. Die große Ähnlichkeit zwischen Lithium- und Natrium-Ionen-Akkus sollte sogar eine relativ einfache Umstellung der Produktion von einem Akkutyp zum anderen erlauben, wenn auch nicht bei der Erzeugung der Kathoden- und Anodenmaterialien.
Natrium-Ionen-Akkus wurden nicht nur wegen der niedrigeren Rohstoffpreise entwickelt. Es geht vor allem um mehr Akkus.
Die weltweite Produktion des vergleichsweise seltenen Lithiums war bislang die ultimative Grenze in der Akkuproduktion und ist damit das größte Hindernis für eine weitgehende Elektrifizierung der weltweiten Autoindustrie. Mit Natrium-Ionen-Akkus wird diese Grenze gesprengt, auch wenn ein gleich schwerer Akku derzeit nur 60 kWh statt 100 kWh hätte. Dafür läge der Preis wohl deutlich unter dem eines Lithium-Ionen-Akkus mit 60 kWh.
Stoffe wie Natrium, Eisen, Mangan und die nötigen Kohlenstoffverbindungen sind so häufig, dass deren Produktion nicht durch Rohstoffreserven und Förderkapazitäten von Bergwerken begrenzt wird, sondern nur davon, wie schnell die Rohstoffe verarbeitet und zu Akkus zusammengesetzt werden können. Dabei wird Lithium in Akkus mit maximaler Energiedichte wegen seiner physikalischen Eigenschaften wohl niemals ersetzt werden können, aber in vielen Fällen ist maximale Energiedichte nicht unbedingt nötig und ein niedrigerer Preis das bessere Verkaufsargument.
Bei all dem ist nicht einmal auszuschließen, dass Natrium-Ionen-Akkus mit weiteren Verbesserungen in Hochleistungsanwendungen wie dem Motorsport auftauchen. Die höhere Reaktionsfähigkeit von Natrium, die so ein großes Problem bei der Entwicklung der Anoden war, sollte beim gleichen Entwicklungsstand zu höheren Lade- und Entladegeschwindigkeiten als bei Lithium-Ionen-Akkus führen. Das lässt sich auch schon bei den vorgestellten Prototypen sehen. Aber zurzeit ist etwa der Entwicklungsvorsprung von Lithium-Eisenphosphat-Akkus mit Lithium-Titanat-Anoden in der Formel 1 noch zu groß.
Die höhere Reaktivität von reinem Natrium bedeutet aber auch, dass Akkus mit reinen Metallanoden sehr unsicher wären. Die Technik wird derzeit bei Lithium-Ionen-Akkus zur weiteren Steigerung der Energiedichte entwickelt. Deshalb kann bei Natrium nicht auf Anoden verzichtet werden, die das Metall in einem anderen Stoff speichern, um dieses Sicherheitsproblem zu umgehen.
Bessere Akkus sind schon in den Laboren
Fraglos befinden sich schon jetzt unveröffentlichte, noch bessere Exemplare von Natrium-Ionen-Akkus auf Testständen in den Laboren auf der ganzen Welt. Fast täglich gibt es neue Veröffentlichungen. Aber der Veröffentlichungsprozess kann über ein Jahr dauern. Ein Test mit 1.000 Lade- und Endladezyklen über je eine Stunde dauert drei Monate. Danach müssen die Ergebnisse ausgewertet und ein Artikel geschrieben werden. Anschließend folgen Monate, bis der Artikel begutachtet und eventuell korrigiert ist und schließlich von einem Fachjournal angenommen und veröffentlicht wird.
Funktionierende Natrium-Ionen-Akkus verändern nichts an der heutigen Realität. Dafür müssen sie erst in großen Mengen hergestellt werden. Aber die Demonstration, dass die Technologie funktioniert, öffnet die Perspektive für eine Zukunft, in der die Produktion leistungsfähiger Akkus in viel größeren Mengen als bisher möglich ist, ohne dass dabei einzelne Lithium- und Kobaltvorkommen zu strategischen Ressourcen werden.
Quelle: Natrium-Ionen-Akkus: Ausnahmsweise ein echter Durchbruch in der Akkutechnik - Golem.de