Fortschrittliche Prototypen von Natrium-Ionen-Batterien erreichen nun fast 200 Wattstunden pro Kilogramm

Ein internationales Team von Wissenschaftlern hat eine Literaturrecherche zu den jüngsten Fortschritten und Zukunftsaussichten für Schlüsselkomponenten von Natrium-Ionen-Batterien durchgeführt. Diese speichern und geben Energie ab, indem sie während des Lade- und Entladevorgangs Natriumionen über einen Elektrolyten zwischen Kathode und Anode hin- und herbewegen. Sie gelten als attraktive Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien, da Natrium reichlich vorhanden ist und geografisch gleichmäßiger verteilt ist.

„Der wachsende Bedarf an erschwinglichen und nachhaltigen Energiespeicherlösungen in wichtigen Endverbrauchssektoren, darunter Automobilindustrie, Industrie und Energiespeicherung, trägt zum robusten Wachstum des globalen Marktes für Natrium-Ionen-Batterien bei“, erklärte der korrespondierende Autor Ababay Ketema Worku auf Anfrage von pv magazine.

„Natrium-Ionen-Batterien befinden sich noch in einem frühen Entwicklungsstadium, auch wenn kommerzielle Produkte der ersten Generation von Unternehmen wie Contemporary Amperex Technology (CATL), Faradion und TIAMAT bereits auf den Energiespeichermarkt gekommen sind und auf Anwendungen in der Leichtmobilität sowie im stationären Bereich abzielen“, fügte er hinzu. „Trotz ihrer langfristigen Leistungsfähigkeit sowie ihrer wirtschaftlichen und ökologischen Vorteile ist die Marktdurchdringung von Natrium-Ionen-Batterien weltweit nach wie vor gering, und es wird erwartet, dass der Markt in den nächsten zehn Jahren deutlich wachsen wird.“

Als Faktoren, die eine breitere Markteinführung von Natrium-Ionen-Batterien einschränken, nannte Worku die im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien geringere Energiedichte und die kürzere Zyklenlebensdauer. Diese Einschränkungen hängen weitgehend mit dem größeren Ionenradius von Natrium zusammen, der die Elektrodenmaterialien stärker mechanisch belastet und die Degradation beschleunigen kann.

Zu den weiteren Herausforderungen zählen höhere Selbstentladungsraten, unterentwickelte Lieferketten für Materialien in Batteriequalität sowie Ineffizienzen in den Herstellungsprozessen, darunter die Slurry-Zusammensetzung, die Elektrodentrocknung und die Zellmontage.

„Obwohl Natrium-Ionen-Batterien eine bessere thermische Stabilität aufweisen und mit der bestehenden Lithium-Ionen-Batterien-Infrastruktur kompatibel sind, sind ausgefeilte Managementsysteme und prädiktive Modellierungsmethoden wie numerische Strömungsmechanik, Differential-Scanning-Kalorimetrie und thermogravimetrische Analyse erforderlich, um die Sicherheit auf Pack-Ebene zu gewährleisten“, sagte Worku.

Die Übersicht befasst sich mit fünf Hauptklassen von Anoden für Natrium-Ionen-Batterien: legierungsbasierte, interkalationsbasierte, konversionsbasierte, organische und MXene-basierte Materialien. Die Forscher stellten fest, dass kohlenstoffbasierte, legierungsbasierte und organische Anoden eine hohe Zyklenstabilität und Natrium-Speicherkapazität aufweisen, während konversionsbasierte Materialien hohe theoretische Kapazitäten bieten.

Die breite Einführung dieser Materialien wird jedoch nach wie vor durch Probleme wie große Volumenänderungen während des Zyklus, schlechte elektrische Leitfähigkeit, instabile Grenzflächen und strukturelle Degradation eingeschränkt. Diese Herausforderungen treiben die weitere Forschung an fortschrittlichen Materialkonzepten und Nanostrukturierungen voran.

Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass zukünftige Fortschritte von der Entwicklung stabilerer Kathoden- und Anodenmaterialien, sichererer und leitfähigerer Elektrolyte sowie von Separatoren mit verbesserter thermischer und chemischer Stabilität abhängen werden. Sie betonten zudem, dass Fortschritte bei allen Batteriekomponenten – einschließlich Elektroden, Elektrolyten, Bindemitteln, Stromkollektoren, leitfähigen Additiven und Lösungsmitteln – unerlässlich sein werden, um die Kommerzialisierung zu beschleunigen und Natrium-Ionen- gegenüber Lithium-Ionen-Batterien wettbewerbsfähiger zu machen.

„Derzeit liegen die Energiedichten von Natrium-Ionen-Batterien zwischen 100 und 160 Wattstunden pro Kilogramm, wobei einige fortschrittliche Prototypen fast 200 Wattstunden pro Kilogramm erreichen“, sagte Worku. „Verbesserte Elektrolytformulierungen, die die Ionenleitfähigkeit und die elektrochemische Stabilität steigern, sowie Entwicklungen bei den Elektrodenmaterialien sind in erster Linie für diese Fortschritte verantwortlich.“

Worku erklärte, dass die Energiespeicherung einer von mehreren Bereichen sei, in denen Natrium-Ionen-Batterien neue Anwendungsmöglichkeiten finden. „Aufgrund ihrer geringen Kosten und der Verwendung leicht verfügbarer Rohstoffe eignen sie sich ideal für Anwendungen im Lastausgleich, für Elektrofahrzeuge, die Einbindung erneuerbarer Energien und die großtechnische Energiespeicherung“, sagte er. „Natrium-Ionen-Batterien bieten eine skalierbare und kostengünstige Alternative für die Speicherung und Bereitstellung erneuerbarer Energien, und Pilotprojekte haben ihr Potenzial für die Netzstabilität unter Beweis gestellt. Natrium-Ionen-Batterien gewinnen in der Automobilindustrie als kostengünstigerer Ersatz für Lithium-Ionen-Batterien zunehmend an Beliebtheit, insbesondere für elektrische Zwei- und Dreiräder.“

Der Übersichtsartikel mit dem Titel „Recent advances and future perspectives on key components for sodium-ion batteries“ ist in der Fachzeitschrift „Energy Conversion and Management: X“ veröffentlicht. Die Studie erstellten Wissenschaftler der University of South Africa, der Bahir Dar University in Äthiopien und der Shanghai University in China.