Post-Lithium-Technologie: CATL bringt Natrium-Ionen-Batterien auf den Markt

Batteriespeicher, insbesondere die leistungsstarken Lithium-Ionen Batterien, sind ein wichtiger Faktor für die Energiewende. Die Produkte haben jedoch ihre Nachteile, da die Abbaupraktiken und die Kosten für Lithium Anlass zur Sorge bereiten. Robin Zeng, Vorsitzender von Contemporary Amperex Technology Co Ltd (CATL), einem Schwergewicht in der Batterieherstellung, hat eine Lösung präsentiert. Das chinesische Unternehmen bringt lithiumfreie Natrium-Ionen-Batterien auf den Markt.

Der Hersteller erklärt, sein neuestes Produkt erfülle alle Anforderungen des modernen Batteriemarkts. Zunächst einmal weist die Batterie eine hohe Energiedichte von 160 Wattstunden pro Kilogramm auf. Das ist zwar etwas weniger als die 200 Wattstunden pro Kilogramm, die von den LFP-Batterien erreicht werden, die CATL für Tesla liefert, aber Zeng hat bereits angedeutet, dass die zweite Generation von Natrium-Ionen-Batterien die 200er-Marke erreichen wird. Moderne NMC-811-Batterien weisen Energiedichten auf, die eher im Bereich von 300 Wattstunden pro Kilogramm liegen.

Das Natrium-Ionen-Produkt steht aber offenbar auch in seinen anderen elektrochemischen Eigenschaften nicht nach und kann beispielsweise in nur 15 Minuten zu 80 Prozent aufgeladen werden. Hinzu kommt, dass die Batterie auch bei niedrigen Temperaturen gut funktionieren soll. Bei -20 Grad Celsius behält die Natrium-Ionen-Batterie nach Angaben des Herstellers 90 Prozent seiner Kapazität. Auch in Bezug auf die thermische Stabilität übertrifft das chinesische Unternehmen mit seinem neuen Produkt nach eigenen Angaben die nationalen Normen. 

Erste Anwendung

CATL wird die erste Generation der Batterien auf dem Markt für Elektrofahrzeuge einsetzen und hat wichtige Merkmale wie die Tieftemperaturleistung hervorgehoben, die sie für Automobilmärkte mit strengen Wintern geeignet machen würde. CATL wird zunächst Batteriepakete für Elektrofahrzeuge auf den Markt bringen, die Natrium-Ionen- und Lithium-Ionen-Batterien kombinieren, um den Mangel an Energiedichte auszugleichen. Um dies zu erreichen, hat CATL auch ein Batteriemanagementsystem entwickelt.

„Die geringere Energie der Natrium-Ionen-Zellen deutet darauf hin, dass sich die Technologie eher für stationäre Energiespeicheranwendungen eignet, die weniger restriktiv sind, während die Vorstellung von Batteriepaketen, die sowohl Natrium-Ionen- als auch Lithium-Ionen-Zellen kombinieren, auf einen Kompromiss bei der Leistung für kostengünstige Elektrofahrzeuge hindeuten könnte, der das Potenzial hat, den Massenmarkt zu stören“, so Wood Mackenzie Research-Analyst Max Reid.

Gleiche Funktionsprinzipien

Natrium-Ionen-Batterien haben ein ähnliches Funktionsprinzip wie Lithium-Ionen-Batterien. In beiden wandern Ionen zwischen Anode und Kathode und geben dabei Elektronen ab oder nehmen sie auf. Obwohl Lithium dies sehr gut kann, ist es ein eher knapper Rohstoff, der hauptsächlich in Chile, Australien und China produziert wird.

Der Lithium-Markt ist nicht nur aufgrund der geografischen Konzentration des Metalls unbeständig, sondern seine Gewinnung steht auch wegen des intensiven Wasserverbrauchs in der Kritik. Schon seit Jahren wurde Natrium-Ionen-Batterien sind als lithiumfreie Alternative geforscht.

Wood Mackenzie sieht in der Einführung von Natrium-Ionen-Batterien das Potenzial, die Versorgungsengpässe bei den Batterierohstoffen zu lockern. “Etwa 93 Prozent der Zellkapazitäten von CATL befinden sich in China”, so Senior Analyst Le Xu. “Die Entwicklung der Natrium-Ionen-Batterietechnologie könnte ihren Rohstoffverbrauch diversifizieren, insbesondere den von Lithium. Batterielieferanten wie CATL, Tesla und LG Chem haben proaktiv Liefervereinbarungen mit Minenbetreibern in Australien und Chile unterzeichnet, was die Preise für Lithiumchemikalien in den letzten sechs Monaten auf ein neues Hoch getrieben hat.”

Natrium hingegen ist eines der am häufigsten vorkommenden Elemente in der Erdkruste und kann zum Beispiel durch Elektrolyse von Natriumchlorid (Kochsalz) abgebaut werden. Es kann auch in anderen chemischen Verbindungen gefunden werden.

Die Herausforderung bei Natrium-Ionen-Batterien besteht darin, dass im Vergleich zu Lithium-Ionen eine größere Menge an Natrium-Ionen benötigt wird. Um die zusätzlichen Ionen unterzubringen, müssen besondere Anforderungen an die strukturelle Stabilität und die kinetischen Eigenschaften des Materials berücksichtigt werden, und die bisherigen Versuche haben dazu geführt, dass die Kapazität von Natrium-Ionen-Batterien schnell abnimmt.

Neue Materialien

Um diese Herausforderung zu meistern, hat CATL nach eigenen Angaben Berliner Weiß mit einer höheren spezifischen Kapazität verwendet. Das Material NaxFe[Fe(CN)6]y-nH2O wurde auch von anderen Forschungsteams als potenzieller Kathodenkandidat für Natrium-Ionen-Batterien in Betracht gezogen, aber praktische Einschränkungen in Bezug auf die Kapazität und die Zyklenstabilität hatten einen kommerziellen Durchbruch verhindert. CATL hat nach eigenen Angaben das Problem gelöst, indem es die Volumenstruktur des Materials neu gestaltet und die Elektronen neu angeordnet hat. Auf der Anodenseite hat CATL außerdem ein neuartiges Material auf Kohlenstoffbasis entwickelt, dessen hochporöse Struktur die Speicherung von Natriumionen ermöglicht und so die Zyklusleistung gewährleistet.

„Die Natrium-Ionen-Technologie wird seit langem für die kommerzielle Nutzung von Batterien angepriesen, da Natrium im Vergleich zu Lithium kostengünstig und reichlich vorhanden ist, und die Produktion von Natrium-Ionen-Batterien in großem Maßstab durch CATL zeigt, dass die Attraktivität dieser Technologie eher früher als später zum Tragen kommt“, so Reid von Wood Mackenzie.

Mit Blick auf die Produktionskosten sagte Qisen Huang, stellvertretender Dekan des CATL-Forschungsinstituts, dass die Herstellung von Natrium-Ionen-Batterien in hohem Maße mit den derzeit verwendeten Produktionsmethoden und -anlagen kompatibel sei. CATL hat mit der industriellen Produktion der Batterien begonnen und will die industrielle Kette für solche Produkte bis 2023 stabilisieren. Dazu seien gemeinsame Anstrengungen der vorgelagerten Lieferanten und der nachgelagerten Verbraucher erforderlich, so CATL, das die beiden Gruppen und Forschungsinstitute aufgefordert hat, ihre Kräfte zu bündeln, um die Einführung des Produkts voranzutreiben.