Europäische Salzbatterien
- h2worlddaa
- 30. März
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Aktualisiert: 2. Apr.
Natrium-Ionen-Batterien (SIBs) entwickeln sich zu einer nachhaltigen und kostengünstigen Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien. Nach Jahren der Forschung und Entwicklung bieten sie die Möglichkeit, die Batterien der Zukunft im Hinblick auf die Energiespeicherung zu transformieren.
Eine kurze Geschichte der Natrium-Ionen-Batterien
Natrium-Ionen-Batterien (SIBs) stellen eine vielversprechende Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) dar.
Natriumionen eignen sich aus mehreren Gründen gut zur Energiespeicherung. Natrium ist viel billiger und kommt auf der Erde 1.000-mal häufiger vor als Lithium. Darüber hinaus werden für die verfügbaren Kathoden Materialien verwendet, die auf der Erde in großen Mengen vorhanden sind. Dadurch werden die Risiken vermieden, die mit der Nickel- und Kobalt-Lieferkette für Lithium-Ionen-Batterien verbunden sind. Die Chemie der Natriumionen beruht auf Interkalation, genau wie die der Natriumionenbatterien. Natriumionen zirkulieren zwischen Anode und Kathode und transportieren Ladung und Energie. Ihre Ähnlichkeit mit Natrium-Ionen-Batterien hinsichtlich Mechanik, Leistung und Herstellung hat den Wissenstransfer vereinfacht und die Entwicklung und Vermarktung beschleunigt. Aktuelle Natrium-Ionen-Batterien haben eine geringere Energiedichte als Lithium-Ionen-Batterien und sind daher ein idealer Kandidat für stationäre Energiespeichersysteme im großen Maßstab.
Lithium-Ionen- und Natrium-Ionen-Kathoden wurden ungefähr zur gleichen Zeit entdeckt. Die Forschung an Natriumionen wurde jedoch durch das Fehlen einer geeigneten Interkalationsanode behindert. Um das Jahr 2000 herum weckte die Entdeckung von Hartkohlenstoff (HC) als Anodenmaterial erneut das Interesse an SIBs. In den 2010er Jahren kam es zu einem rasanten Wachstum, das wahrscheinlich auf die Suche nach Alternativen zu LIBs zurückzuführen war. Dies führte zur Entwicklung neuer Kathodenmaterialien, zur vollständigen Zellmontage und zur Gründung mehrerer auf Kommerzialisierung ausgerichteter Start-ups. Die ersten zylindrischen 18650-SIBs wurden 2015 mit einer Na3V2(PO4)2F3-Kathode (NVPF) und einer HC-Anode dank der Zusammenarbeit mehrerer Institutionen innerhalb des französischen Netzwerks für elektrochemische Speicherung (R2SE) zusammengebaut. Die Kommerzialisierungsbemühungen führten zu 1-5 Ah-Pouch-Zellen von Faradion, dem ersten Unternehmen, das SIBs kommerzialisierte, einer Erklärung über die Produktion von 10.000 SIBs durch Tiamat, das aus R2SE hervorgegangene Startup, und einer wachsenden Nachfrage nach SIBs für die Kommerzialisierung von Lithium-Ionen-Batterien. und die Ankündigung einer 100-kWh-Batterieanlage für Energiearbitrage durch das chinesische Unternehmen HiNa. Physikbasierte Modellierung kann bei der Weiterentwicklung von SIBs eine einzigartige und wichtige Rolle spielen.
Das erste physikbasierte pseudo-zweidimensionale (P2D) Modell für Natrium-Ionen-Batterien wurde 2022 von Chayambuka et al. veröffentlicht. Dieses Modell verwendet den verallgemeinerten Rahmen des Doyle-Fuller-Newman-P2D-Modells für Lithium-Ionen-Batterien, das die Leistung und Dynamik von Interkalationsbatterien vorhersagt. Die Modellierungsarbeiten wurden mit Experimenten an einer Natriumbatterie mit einer Kathode aus NVPF-Partikeln, einer HC-Anode und einem Elektrolyten NaPF6 EC 0,5: PC 0,5 (w/w) 1 M gekoppelt. Die Reaktion für NVPF ist wie folgt:
Na3VIII2(PO4)2 <--> F3 NaVIV2 (PO4)2F3 + 2Na+ + 2e−
Dabei werden 2 Na+ pro NVPF-Einheit übertragen, was eine Kapazität von 128 mAh/g ergibt. HC ist ein nicht-graphitischer Kohlenstoff mit einer komplexen Struktur: Er weist graphenähnliche Schichten innerhalb einer amorphen mikroporösen Phase auf. Der Ladungstransfer erfolgt durch Adsorption an den Graphenschichten und Füllung der Meso- und Nanoporen. Für HC werden zahlreiche Mechanismen vorgeschlagen, die möglicherweise vom Vorläufer und den Struktureigenschaften abhängen. Dies bleibt ein aktives Forschungsgebiet. Die spezifische Kapazität von HC beträgt etwa 300 mAh/g und ist damit ähnlich hoch wie die von Graphit in LIBs.
Die Modellparametrisierung kann schwierig und komplex sein, ist jedoch weiterhin von entscheidender Bedeutung, um die Genauigkeit der Batteriemodelle sicherzustellen. Um einen Satz experimentell vorhersagbarer Basisparameter zu erstellen, verwendeten die Autoren des SIB P2D-Modells experimentelle Techniken und Parameterschätzungen auf Grundlage von GITT-Daten und zyklischen Daten von Halbzellen und Ganzzellen sowie Elektrolytmessungen und statistische Mechaniksimulationen für Transporteigenschaften. Das Schema der Natrium-Ionen-Batterie ist in der Abbildung oben dargestellt und stammt direkt aus ihrer Arbeit. Zur Messung der Spannungen einzelner Elektroden wurde ein Dreielektrodenaufbau mit einer Na-Ionen-Referenzelektrode verwendet und zur Minimierung von Fehlern wurde die Modellausgabe auf diese Elektrode und nicht auf die Gesamtbatteriespannung optimiert. Relevante Parameter und Prozessdetails sind in ihren experimentellen und Modellierungsarbeiten verfügbar (Referenzen 1 und 2).
Diese Arbeit unterstreicht die Leistungsfähigkeit korrekt parametrisierter physikalischer Modelle. Modellvorhersagen für Raten zwischen 0,1 °C und 1,4 °C wiesen im Vergleich zu experimentellen Kurven einen Fehler von weniger als 2 % und einen absoluten Fehler von weniger als 50 mV auf. Die Autoren stellten fest, dass der Kontaktwiderstand bei höheren Geschwindigkeiten für genaue Vorhersagen wichtig wird. Darüber hinaus wurde die Hochgeschwindigkeitsleistung durch einen schlechten Massentransport in den Elektroden und dem Elektrolyt beeinträchtigt. Die Ergebnisse lassen darauf schließen, dass eine Verringerung der Partikelgröße in der HC-Elektrode die Hochgeschwindigkeitsleistung verbessern würde, während die Diffusion in den NVPF-Partikeln den Massentransport einschränken würde.
Die folgende Abbildung gibt die C-Rate-Studie von Chayambuka et al. wieder.
Der Markt für Natrium-Ionen-Batterien entwickelt sich rasant und führende Unternehmen entwickeln Innovationen, um der wachsenden Nachfrage nach nachhaltigen Energielösungen gerecht zu werden. Diese Entwicklung ist eine Reaktion auf den wachsenden Bedarf an Alternativen zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien. Bis 2033 soll der globale Markt für Natrium-Ionen-Batterien von 438 Millionen US-Dollar im Jahr 2024 auf über 2 Milliarden US-Dollar wachsen, mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 21,68 %. Hier sind die führenden Natrium-Ionen-Batterie-Unternehmen im Jahr 2025:
Altris AB
Das schwedische Unternehmen Altris AB hat eine Natrium-Ionen-Batteriezelle in kommerzieller Größe auf den Markt gebracht, die eine mit LFP-Lithium-Ionen-Batterien vergleichbare Energiedichte bietet. Durch die Partnerschaft mit Clarios für Niederspannungsanwendungen im Automobilbereich und mit Polarium für die Energiespeicherung leistet Altris AB Pionierarbeit bei der praktischen Anpassung von Natrium-Ionen-Batterien.
Während sich der Markt für Natrium-Ionen-Batterien weiterentwickelt, sind diese sechs Unternehmen mit bahnbrechenden Innovationen und Partnerschaften führend. Ihre Technologien versprechen nachhaltige Energielösungen und ebnen den Weg für eine Zukunft, die weniger abhängig von Lithium-Ionen-Batterien ist.
TIAMAT ,mit Sitz in Frankreich entwickelt Natrium-Ionen-Batterien, die für die Mobilität und die stationäre Energiespeicherung geeignet sind. Ihre Akkus zeichnen sich durch eine Ladezeit von nur fünf Minuten und einen hohen Sicherheitsstandard aus. TIAMAT hat vor Kurzem 30 Millionen Euro aufgebracht, um in Frankreich eine Fabrik zu errichten, die jährlich 5 GWh Natrium-Ionen-Batterien produzieren kann.
Northvolt, sorgt mit einer Natrium-Ionen-Batterie mit einer Energiedichte von über 160 Wh/kg für Aufsehen. Dieses schwedische Unternehmen stellt Batterien ohne die Verwendung kritischer Metalle her. Stattdessen werden reichlich vorhandene und kostengünstige Materialien verwendet, wodurch die Lösungen sowohl erschwinglich als auch nachhaltig sind.
Faradion Limited, ein britisches Unternehmen, ist auf nichtwässrige Natrium-Ionen-Batterietechnologie spezialisiert. Diese Batterien sind für Hochleistungsanwendungen wie Elektrofahrzeuge und Energiespeicherung konzipiert. Faradion-Produkte zeichnen sich durch ihre lange Lebensdauer und die Fähigkeit aus, über einen weiten Temperaturbereich zu funktionieren.
Kleine Pilotanlagen und große Projekte
Derzeit sind die meisten Pilotanlagen in Betrieb und einige kleinere Anlagen sind in der Startphase. Diese produzieren zwar nur wenige Gigawattstunden (GWh) Natrium-Ionen-Batterien pro Jahr, doch die öffentlich angekündigten Kapazitäten verschiedener Rohstoff- und Batteriehersteller belaufen sich bis 2030 auf weit über 100 GWh. Bis 2025 könnten deutlich mehr Kapazitäten aufgebaut werden als bislang finanziert, wenn sich 2024 Investoren finden. Die Vorhersage einer radikalen Umstellung eines großen Teils der Branche auf eine neue Technologie in wenigen Jahren mag gewagt erscheinen, doch allein in den letzten fünf Jahren ist dies in der Batterieindustrie mit NMC811 und LFP zweimal geschehen. Natriumionen erfordern praktisch keine neue Anlagentechnologie, lediglich andere Rohstoffe und Produktionsparameter.
Signifikante Einsparungen gegenüber dem LFP sind zunächst unwahrscheinlich
Derzeit gibt es keine kostengünstige Batterietechnologie, die eine mit Blei-Säure- und Lithium-Ionen-Batterien vergleichbare Energiedichte bietet. Einer Studie von IDTechEx zufolge betragen die durchschnittlichen Kosten für Natrium-Ionen-Batteriezellen unter Berücksichtigung unterschiedlicher chemischer Zusammensetzungen 87 US-Dollar/kWh. Bis zum Ende des Jahrzehnts dürften die Herstellungskosten für Natrium-Ionen-Batteriezellen, die vorwiegend auf Eisen und Mangan basieren, bei etwa 40 US-Dollar pro Kilowattstunde ihren Tiefpunkt erreichen und auf Paketebene bei fast 50 US-Dollar pro Kilowattstunde liegen. Man geht davon aus, dass Natrium-Ionen-Zellen zunächst teurer sein werden, IDTechEx prognostiziert jedoch, dass das Kosten-Preis-Verhältnis aufgrund von Produktionseffizienzen, Skalengewinnen und technologischer Entwicklung kurzfristig sinken wird. Mit zunehmender Weiterentwicklung der Technologie und Fertigung wird es jedoch schwieriger, die Kosten langfristig zu senken.
Natrium ist nicht das Ende von Lithium
Bei den meisten Elektrofahrzeugen hat die volumetrische Energiedichte oberste Priorität, denn je mehr Platz eine Batteriezelle bei gegebener Energiedichte einnimmt, desto weniger Zellen befinden sich unter dem Fahrzeug, was die Reichweite einschränkt. Bei der Netzspeicherung hat der von den Batteriepaketen eingenommene Platz keinen Einfluss auf ihre wirtschaftliche Rentabilität. Im Vordergrund stehen die Kosten pro kWh pro Zyklus. Bei der kommerziellen Energiespeicherung kommt es auf die Kostenkontrolle an und hier haben Natrium-Ionen-Batterien das Potenzial, andere chemische Verfahren zu dominieren. Das Potenzial von Natrium-Ionen-Batterien im Transportbereich ist dort am größten, wo die Energiedichte von Lithium-Batterien nicht vollständig ausgenutzt wird. Hierzu zählen nahezu alle Elektroautos mit sogenannter Standardreichweite, also solche mit reduzierter Kapazität im Vergleich zu teureren Modellen gleicher Bauart. In diesem Fall könnten Natriumbatterien, die schnellere Ladegeschwindigkeiten und einen geringeren Kapazitätsverlust bei niedrigen Temperaturen bieten, eine sehr interessante Alternative sein. Vor allem aber werden Lithiumbatterien dank dieser alternativen Energiespeichertechnologie dort verfügbar sein, wo sie wirklich benötigt werden.
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