Kostengünstige Natriumbatterien zur Kostensenkung bei allen möglichen Dingen

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Die Suche nach einer neuen, kostengünstigen Alternative zur bekannten Lithium-Ionen-Batterie geht in verschiedene Richtungen. Ein wichtiger Bereich von Interesse ist Natrium, der in der Erde vorkommende Inhaltsstoff, der etwa 40 % des einfachen Speisesalzes ausmacht. Natrium ist jedoch schwer. Das gilt übrigens auch für Salz. Dennoch sind Natriumbatterien relativ kostengünstig und frei von heiklen Lieferkettenproblemen, und sie beginnen, auf dem Mainstream-Markt Fuß zu fassen.

Natriumbatterien für fast alles

Natrium ist reichlich vorhanden, das stimmt. Die Royal Chemistry Society nennt es „sechsthäufigstes Element auf der Erde„, das etwa 2,6 % der Erdkruste ausmacht.

Das ist alles schön und gut, aber Natrium stellt ein Hindernis dar, wenn es um Batterien für Elektrofahrzeuge geht, bei denen geringeres Gewicht und kleinere Größe im Vordergrund stehen.

„Natrium ist ein schwereres Element als Lithiummit einem Atomgewicht, das 3,3-mal größer als Lithium ist (Natrium 23 g/mol gegenüber Lithium 6,9 g/mol), bemerkt Shazan Siddiqi vom Forschungsunternehmen IDTechEx.

Das benachteiligt Natrium momentan, obwohl Siddiqi dazu einiges zu sagen hat.

„Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass Lithium oder Natrium in einer Batterie nur einen kleinen Teil der Zellmasse ausmachen und dass die Energiedichte hauptsächlich durch die Elektrodenmaterialien und andere Komponenten in der Zelle bestimmt wird“, sagte er. „Obwohl aktuelle Natrium-Ionen-Batterien eine relativ geringe Energiedichte aufweisen, besteht das Potenzial, dass diese in den kommenden Jahren noch zunehmen wird.“

Es sieht so aus, als wären die kommenden Jahre jetzt. Letzten Herbst, CleanTechnica wurde zur Kenntnis genommen, als der schwedische Batteriehersteller Northvolt seine Natrium-Ionen-Batterie mit dem chinesischen Elektrofahrzeughersteller BYD koppelte. Jetzt kommt das US-Startup Acculon und heizt das Natriumfeuer noch weiter an.

Wenn alles nach Plan verläuft, erwartet Acculon, dass die Produktion seiner neuen Natrium-Ionen-Batterien im Frühjahr im Pilotmaßstab beginnt und bis Mitte dieses Jahres die Größenordnung von 2 Gigawattstunden erreicht.

„Das Wichtigste sind Natrium-Ionen-Batterien frei von Konfliktmineralien oder Premium-Einsatzmaterialien wie Lithiumcarbonat oder Kobalt, was ihr Nachhaltigkeitsprofil unter fortschrittlichen Batteriechemikalien erhöht“, erklärte Acculon in einer Pressemitteilung vom 4. Januar.

Acculon verfügt bereits über umfangreiche Erfahrungen im Bereich der Energiespeicherung und prüft ein breites Anwendungsspektrum für die neue Batterie.

„Acculon ist bereit, dazu beizutragen eine neue Ära der Elektrifizierung in den Bereichen Materialtransport, Robotik, autonome Transportfahrzeuge, Hafenfahrzeuge, Golfwagen, Schifffahrt, Luftfahrt, Elektrowerkzeuge, Powersport, Rasen und Garten, kommunale Elektrofahrzeuge, Luft- und Raumfahrt, Landwirtschaft und mehr“, schwärmt das Unternehmen.

Bessere Natriumbatterien für Elektrofahrzeuge

Wenn Ihnen die Sache mit Hafenfahrzeugen, Golfwagen und kommunalen Elektrofahrzeugen aufgefallen ist, ist das wichtig. Obwohl Natriumbatterien im Allgemeinen eine kürzere Reichweite als ihre Lithium-Ionen-Pendants haben, können sie dennoch kostengünstige Elektrifizierungslösungen für Situationen bieten, in denen eine teurere Premium-Batterie die Mehrkosten nicht wert ist.

Dennoch wird weiterhin nach einer Natriumbatterie gesucht, die genügend Reichweite bietet, um Fahrer anzulocken, die ein straßentaugliches Elektrofahrzeug kaufen möchten.

Auch dieser Tag rückt immer näher. Letzte Woche hat das Argonne National Laboratory ein Update zu seiner Forschung zu Natrium-Ionen-Batterien veröffentlicht, und es sieht gut aus.

In den frühen 2000er Jahren entwickelte Argonne eine Kathode, die von General Motors übernommen wurde, um seinen Chevy Volt Hybrid und Chevy Bolt EV mit Lithium-Ionen-Batterien auf die Straße zu bringen, und das Labor möchte sich selbst übertreffen mit Natrium-Ionen-Technologie.

„Forscher am Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) haben ein neues Kathodenmaterial erfunden und patentiert, das Lithiumionen durch Natrium ersetzt und deutlich billiger wäre“, erklärte das Labor in einer Pressemitteilung vom 8. Januar.

„Die Kathode ist einer der Hauptbestandteile jeder Batterie. „Es ist der Ort der chemischen Reaktion, die den Stromfluss erzeugt, der ein Fahrzeug antreibt“, fügten sie hilfreich hinzu.

Mit deutlich günstiger meinen sie deutlich günstiger. „Unsere Schätzungen gehen davon aus, dass eine Natrium-Ionen-Batterie ein Drittel weniger kosten würde als eine Lithium-Ionen-Batterie“, sagte Christopher Johnson, ein leitender Chemiker und angesehener Argonne-Stipendiat im Labor.

Die Kathode, die schließlich Eingang in die Lithium-Ionen-Batterien des Volt und Bolt fand, war in Schichten aufgebaut. Das Team verwendete eine ähnliche Architektur für seine neue Natriumionenbatterie und verwendete Schichten aus Natrium-Nickel-Mangan-Eisenoxid.

Wenn Sie in dieser Formel kein Kobalt finden, ist das kein Zufall. „Das Fehlen von Kobalt in der Kathodenformel mildert die mit diesem Element verbundenen Kosten-, Knappheits- und Toxizitätsbedenken“, erklärt Argonne.

„Natrium kommt in der Natur weitaus häufiger vor und lässt sich leicht abbauen als Lithium“, fügt das Labor hinzu. „Außerdem enthält das Kathodenmaterial neben Natrium überwiegend Eisen und Mangan. Beide Elemente kommen weltweit häufig vor und stehen nicht auf der Liste der gefährdeten Arten.“

Natrium-Ionen-Batterien behalten ihre Ladeleistung auch bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt, beobachtet das Labor.

Ein weiterer Faktor, der dazu beiträgt, dass Natrium-Ionen-Batterien relativ schnell auf den Markt kommen, ist ihre Kompatibilität mit bestehenden Herstellungs- und Batteriemanagementsystemen für Lithium-Ionen-Batterien. Das steht im Gegensatz zu Flow-Batterien und anderen Energiespeichertechnologien, die ihre eigenen einzigartigen Systeme erfordern.

​Wie weit kann Natrium gehen?

Für Elektrofahrzeuganwendungen schätzt Argonne die Reichweite seiner neuen Natriumbatterie auf 180–200 Meilen, was nach heutigen Maßstäben relativ kurz ist. Ein Elektroauto mit Natriumantrieb könnte jedoch auch Stadt- und Vorstadtfahrer mit begrenztem Budget ansprechen, die nicht unbedingt ein Auto für Langstreckenfahrten benötigen.

Wir werden es bald sehen. Das Argonne-Team hat die Laborphase des Projekts abgeschlossen und ist bereit, seine neue Kathode in einer Batteriezelle zu testen, um ihre Leistung für den Einsatz in Elektrofahrzeugen zu bewerten.

Unterdessen stellt Argonne fest, dass die stationäre Energiespeicherung ein weiterer reifer Markt für Natrium-Ionen-Batterien ist.

Tatsächlich nimmt im Pacific Northwest National Laboratory eine andere Art von Natriumbatterie Gestalt an, die eine Kombination aus Aluminium und Natrium in Form einer Salzschmelze verwendet.

PNNL hat die neue Batterie speziell für die Handhabung entwickelt Energiespeicherung im Netzmaßstab für Solaranlagen. Wie vom Labor beschrieben, stellt die Natrium-Aluminium-Kombination eine Verbesserung gegenüber der Natriumbatterietechnologie im Netzmaßstab dar.

„Wir haben gezeigt, dass dieses neue Batteriedesign mit geschmolzenem Salz das Potenzial hat, viel schneller zu laden und zu entladen als andere herkömmliche Hochtemperatur-Natriumbatterien, bei einer niedrigeren Temperatur zu arbeiten und eine hervorragende Energiespeicherkapazität aufrechtzuerhalten“, erklärte PNNL-Materialwissenschaftler Guosheng Li eine Pressemitteilung vom letzten Jahr.

Aluminium kommt als kostengünstiger Ersatz für Nickel ins Spiel. Das Labor stellt fest, dass eine ähnliche Nickelkathode bereits im Handel erhältlich ist. Der Einbau in Aluminium war schwierig, aber der Vorteil liegt in einer schnelleren Ladezeit und einer Geldersparnis.

Der lange Weg zur Kommerzialisierung könnte ein kurzer sein

Die neue Batterie baut auch auf früheren Forschungen auf, die eine neutrale Salzschmelzereaktion beinhalten.

„Die neue Entdeckung zeigt, dass diese neutrale Salzschmelze eine weitere Reaktion zu einer sauren Salzschmelze eingehen kann. Entscheidend ist, dass dieser zweite saure Reaktionsmechanismus die Kapazität der Batterie erhöht“, erklärte PNNL.

PNNL gibt eine Beibehaltung von 82,8 % der Spitzenladekapazität nach 345 Lade-Entlade-Zyklen an. Die Batterie befindet sich noch in der frühen „Knopfzellen“-Entwicklungsphase, also halten Sie Ausschau nach Updates zu diesem Thema.

Das PNNL-Team strebt derzeit ein praktisches Energiedichteziel von bis zu 100 Watt pro Kilogramm an. Das sind kleine Kartoffeln im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien, die bei Elektrofahrzeugen und anderen großen Geräten zwischen 170 und 250 liegen.

„Das neue Natrium-Aluminium-Batteriedesign hat jedoch den Vorteil, dass es in den USA kostengünstig und einfach aus viel häufiger vorkommenden Materialien herzustellen ist“, stellt das Labor fest. Dazu gehört auch die Aluminiumwolle, die als Schrott anfallen kann.

„Wir gehen davon aus, dass durch die Optimierung die spezifische Energiedichte und der Lebenszyklus noch höher und länger werden könnten“, fügt Li hinzu.

Genauer gesagt soll die neue Natriumbatterie Energie für einen Zeitraum von 10 bis 24 Stunden speichern. Das ist von Bedeutung, da es das Ziel des US-Energieministeriums zur langfristigen Energiespeicherung erfüllt. Derzeit bieten Lithium-Ionen-Akkus lediglich eine Speicherkapazität von etwa vier Stunden. Obwohl von etwas längeren Laufzeiten von 6 bis 8 Stunden berichtet wurde, würde die Natriumbatterie mehr Stunden zu geringeren Kosten liefern und so die Fähigkeit der Stromnetze beschleunigen, mehr Sonnenenergie zu absorbieren.

Was die Aussichten für die Markteinführung im Labor angeht, hat PNNL das US-Unternehmen bereits angeworben Nexceris und sein Spin-off Adena Power eine Batterie für die nächste Testphase zusammenzubauen.

Ein ähnlicher Entwurf, der eine Nickelkathode als Teil des Systems verwendet, hat sich im kommerziellen Maßstab als wirksam erwiesen und ist bereits kommerziell erhältlich.

Behalten Sie Ihre Hüte. Das PNNL-Team geht davon aus, dass die Lebensdauer der neuen Batterie im Laufe der Testphase verbessert und auch die Kosten gesenkt werden.

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Bild: Schema einer Natrium-Ionen-Batterie für Energiespeicher im Netzmaßstabmit freundlicher Genehmigung des Pacific Northwest National Laboratory.