Vor allem chinesische Unternehmen setzen auf die Natrium-Batterie. Sie kann vieles besser als der Lithium-Ionen-Akku. Ist sie die Zukunft?

Auch wenn diese Entwicklung von der ausländischen Konkurrenz noch immer kaum wahrgenommen wird: Chinesische Unternehmen haben bei der Herstellung von Batterien für Elektroautos eine Art Paradigmenwechsel in Gang gebracht. Kleinere und größere Unternehmen, allen voran der weltgrößte Batteriehersteller CATL (Contemporary Amperex Technology Co. Limited), setzen anstatt auf Lithium- nun verstärkt auf Natrium-Ionen-Akkus (Sodium-ion). Die chinesische Regierung unterstützt sie dabei, zum Beispiel beim Aufbau von Lieferketten und notwendigen gesetzlichen Regelungen. Und an der chinesischen Börse geht der Blick längst täglich auf eine eigene Natrium-Sparte (https://shorturl.at/CMQWZ).

CATL setzt auf die Natrium-Batterie

Weil sich die Herstellung einer Natrium-Batterie kaum von der eines Lithium-Akkus unterscheidet – nur die eingesetzten Materialien sind andere –, dürften die chinesischen Unternehmen in der Lage sein, ihre Produktion innerhalb recht kurzer Zeit umzustellen – wie sie bei der Herstellung von Lithium-Eisen-Phosphat- (LiFePO4) und Nickel-Mangan-Cobalt-Akkus (NMC) bereits bewiesen haben. Jetzt kommt hinzu, dass die in der Natrium-Batterie verwendeten Stoffe im Überfluss vorhanden und vor allem sehr günstig zu haben sind. So will CATL noch 2023 mit der Massenproduktion von Natrium-Akkus beginnen.

Das bedeutet nicht, dass Lithium in den kommenden Jahren nicht mehr benötigt wird. Aber der Stoff kommt nicht schnell genug zu den Batterie-Herstellern, obwohl es nach Aussage von Michael Schmidt von der Deutschen Rohstoffagentur (im Podcast auf https://tinyurl.com/2be8ft9n) genügend Lithium-Vorkommen gibt. Der Abbau des gefragten Metalls kann jedoch mit dem rasanten Aufschwung des Elektroautos nicht Schritt halten. Mit Lithium allein ist die ständig wachsende Nachfrage nach Batterien also nicht mehr zu befriedigen; die großen Produzenten können so auch ihre Wachstumsziele nicht erreichen. Manche könnten ihre Produktionsbänder schneller laufen lassen, wenn sie mehr Rohstoffe zur Verfügung hätten.

Was ist mit Lithium?

Dann also alles schneller und besser mit Natrium? Das sieht fast so aus: Die Natrium-Ionen-Batterie könnte eine ressourcensparende Alternative sein, denn sie verzichtet auf kritisches und teures Lithium sowie immer knapperes Kobalt und Kupfer. Der neue Stromspeicher setzt auf Natrium als Ladungsträger. Dieses Alkalimetall ist das sechsthäufigste Element auf dieser Welt, es ist zum Beispiel in unseren Meeren oder in Kochsalz gebunden und kann sich leicht gewinnen lassen. Beim Abbau entstehen keine schädlichen Auswirkungen für Mensch und Umwelt – so wie bei Lithium und Kobalt oder Kupfer. Die dafür benötigten Rohstoffe gibt es reichlich, was die Batterie nach Schätzungen von CATL um bis zu 40 Prozent günstiger macht.

Die Natrium-Ionen-Batterie punktet noch mit anderen positiven Eigenschaften: Sie ist praktisch nicht brennbar und behält selbst bei Außentemperaturen um minus 20 Grad noch 90 Prozent ihrer Kapazität. Anders als herkömmliche Lithium-Batterien kann der Natrium-Akku auch komplett entladen werden, ohne Schaden zu nehmen. Gemessen nach Laborwerten ist er innerhalb von 15 Minuten von null auf 80 Prozent geladen.

Nicht brennbar und kälteresistent

Das klingt geradezu nach einer Revolution bei der Batterietechnologie – ist das wirklich so? Noch liegt die gravimetrische Energiedichte einer Natrium-Batterie mit 160 Wh/kg (Wattstunden pro Kilogramm) deutlich unter der einer gewöhnlichen Lithium-Ionen-Batterie (200 Wh/kg). Aber selbst der Lithiumspeicher hatte mal deutlich kleiner angefangen, wurden hier in den vergangenen Jahren bedeutende Fortschritte bei Energiedichte, Reichweite und Zyklenfestigkeit erzielt. Offensichtlich auch bei der Natrium-Batterie. So kündigt CATL bereits 200 Wh/kg für die zweite Generation seines neuen Akkus an.

Allerdings ist Natrium dreimal so schwer wie Lithium, und die Batteriezellen liefern eine um 0,3 Volt geringere Spannung als die von Lithium-Akkus. Natrium-Ionen sind zudem um 50 Prozent größer als die des Lithiums, was besondere Anforderungen an das Material von Kathode und Anode stellt. Sie müssen möglichst viele Ionen aufnehmen und ableiten können. Dem begegnet der Hersteller mit neuen Materialien für diese Elektroden. Das erhöht gleichzeitig die Zyklenfestigkeit der Natrium-Ionen-Batterie; die Rede ist von einigen 10.000 Lade- und Entladezyklen.

Viel schwerer als Lithium

Um auf die entsprechenden Werte zu kommen, verwendet CATL nach eigenen Angaben als Kathodenmaterial den künstlichen Farbstoff „Preußisch Blau“. Dieser wird mit Natrium angereichert, so dass er weiß erscheint und auch „Preußisch Weiß“ genannt wird. Das Unternehmen hat nach eigener Aussage die Volumenstruktur des Materials durch Neuordnung der Elektronen komplett neu gebaut, was das generelle Problem der schnellen Kapazitätsverringerung beim Altern der Batterie entschärft. Als Anodenmaterial wird ein neu entwickelter „harter Kohlenstoff“ – nicht Graphit – verwendet. Diese neuen Elektroden speichern und übertragen Natriumionen schneller und mit niedrigerem Innenwiderstand als jede andere kommerzielle Batterie.

Als Leiterfolie kommt Aluminium anstatt Kupfer wie bei Lithium-Akkus zum Einsatz. Natrium reagiert im Gegensatz zu Lithium nicht mit Aluminium, so dass sich im Inneren der Batterie keine Ablagerungen entwickeln können, die die Separatoren durchstoßen und den Akku so durch Kurzschluss unbrauchbar machen könnten.

Deutlich weniger Wärme

Außerdem lässt sich der Akku dichter bepacken, weil er im Vergleich zum Lithium-Pendant deutlich weniger Wärme entwickelt. CATL plant außerdem eine Batterie, die Lithium- und Natriumzellen miteinander kombiniert. So sollen die Vorteile beider Typen genutzt werden – nämlich Reichweite und Kältefestigkeit.

Alles in allem punktet die Natrium-Batterie im Vergleich zu ihrem Lithium-Pendant mit größerer Sicherheit, schnellerer Ladezeit, besserer Zyklen- und Temperaturfestigkeit, günstigeren und allseits verfügbaren Rohstoffen und damit niedrigeren Kosten. Sie sollen nach ersten Prognosen bei rund 70 bis 80 Euro pro Kilowattstunde liegen, aber in der Massenproduktion laut CATL unter 50 Euro fallen. Zum Vergleich: Bei der Lithium-Batterie liegt der Preis derzeit bei 92 Euro (Quelle: Statista).

Günstigere Produktionskosten

Das britische Unternehmen Faradion hatte die Natrium-Batterie schon vor einigen Jahren wegen ihrer hohen Be- und Entladeeffizienz von 92 Prozent favorisiert und sie vor allem als stationärer Speicher gesehen. Entsprechende Lizenzen wurden angemeldet. Anzunehmen ist, dass dieser Akkutyp vielerorts als Puffer für grünen Strom verwendet werden wird.

Dr. Maximilian Fichtner, Direktor des Helmholtz-Instituts in Ulm und Professor für Festkörperchemie an der Universität in Ulm sowie Sprecher der Forschungsplattform Celeste und des Excellence-Clusters Polis (Post Lithium Storage) sieht den Natrium-Akku vor allem als Ersatz für die Bleibatterie, speziell in Autos, wegen seiner Effizienz und Temperaturfestigkeit (siehe Podcast unter https://tinyurl.com/5x7da9n3). Schließlich sei der Markt für Blei-Batterien noch immer größer als der für Lithiumspeicher. Der Experte rechnet aber noch nicht mit einem größeren Einsatz der Natriumbatterie in E-Autos. Die Zeichen aus China lassen das jedoch nicht vermuten. Titelfoto: pixabay