Natriumbatterie: Eine Alternative für die Zukunft?

Mit zunehmender Elektrifizierung und der verstärkten Nutzung erneuerbarer Energien wachsen auch die Ansprüche an leistungsstarke, wirtschaftliche und möglichst nachhaltige Stromspeicher. Am häufigsten kommen dabei Lithium-Ionen-Batterien zum Einsatz – noch, denn mit der sogenannten Natrium-Ionen-Batterie könnte bald eine echte Alternative zu Lithium-Ionen auf den Markt kommen. Wir geben einen Überblick, was Natriumbatterien sind, wie sie sich von Lithium-Ionen-Batterien unterscheiden und wo sich die neue Batterietechnologie sinnvoll einsetzen lässt.

Was sind Natriumbatterien?

Natriumbatterien, genauer gesagt Natrium-Ionen-Batterien, sind Batterien, die durch eine chemische Reaktion im Batterieinneren Energie speichern und wieder freigeben können. Natriumbatterien weisen ein natriumhaltiges Aktivmaterial und einen Natriumsalzelektrolyten auf. Dadurch sind sie vom Aufbau eng mit Lithiumbatterien verwandt, bei denen vergleichbare Lithiumsalze verwendet werden.

Eine Natrium-Ionen-Batterie besteht aus einer positiven (Kathode) und einer negativen (Anode) Elektrode in einem Elektrolyt, die durch einen Separator voneinander getrennt sind. Die Kathode ist die Quelle der Natriumionen, die Anode ist natriumfrei.

Auch das Funktionsprinzip der Natriumbatterien ist das gleiche wie bei Lithium-Ionen-Batterien: Während des Ladevorgangs bewegen sich Natriumionen von der Kathode in Richtung Anode und werden dort eingelagert. Die Zellspannung steigt schrittweise an, bis die Ladeschlussspannung erreicht wird, die entsprechend den thermodynamischen Beschränkungen der Batteriechemie vorgegeben ist.

Wie sind Natriumbatterien aufgebaut?

Die folgende Grafik zeigt Ihnen den Aufbau einer Natriumbatterie. Unter der Grafik erklärt Ihnen ein Text die wichtigen Teile Kathode, Anode, Elektrolyt und Separator detaillierter. 

Die Kathode

Die Kathode ist der „Lieferant“ der Natriumionen in der Batteriezelle. Die Kathodenstruktur kann grundsätzlich in drei Typen mit unterschiedlichen Eigenschaften unterteilt werden.

1. Übergangsmetall-Schichtoxide
2. Polyanionischer Aufbau 
3. Preußisch Blau bzw. Weiß.

Unternehmen und Institute forschen derzeit an allen drei Strukturen, allerdings hat sich bisher noch kein Typ durchgesetzt. Während der Übergangsmetall-Schichtoxid und der polyanionische Typ nicht ohne Elemente wie z. B. Vanadium, Mangan, Magnesium oder Titan auskommen, ist die Preußisch-Weiß-Kathode aus Nachhaltigkeits-Gesichtspunkten sehr interessant, da dort möglicherweise ausschließlich Elemente wie Natrium, Kohlenstoff, Stickstoff und Eisen zum Einsatz kommen.

Die Anode 

Die Anode enthält kein Natrium. Sie besteht in der Regel aus ungeordneten (sog. „harten“) Kohlenstoffen.

Der Elektrolyt 

Der Elektrolyt dient als Transportmittel für die Natriumionen auf ihrem Weg von der Kathode zur Anode (Laden) und wieder zurück (Entladen). Er besteht in der Regel aus Natriumsalz-Lösungen, wobei man zwischen Natriumbatterien mit organischen und anorganischen Natriumsalzelektrolyten unterscheidet. 

Der Separator 

Der Separator ist eine poröse Membran auf Polymerbasis, die als elektronischer Isolator wirkt und den direkten elektronischen Kontakt zwischen den beiden Elektroden verhindert, um einen internen Kurzschluss zu vermeiden, während sie die Natriumionen durchlässt.

Welche Vorteile weisen Natriumbatterien auf?

1. Umweltverträglichkeit: Natriumbatterien  enthalten keine oder nur sehr geringe Mengen kritischer Rohstoffe. Zudem können sie relativ unkompliziert recycelt werden. 
    
2. Hohe Sicherheit: Je nach Natrium-Ionen-Zelltyp ist verglichen mit Lithium-Ionen-Zellen insgesamt von einer höheren Sicherheit auszugehen. Zum Beispiel ist das Risiko eines thermischen Ungleichgewichts aufgrund Überladung oder Überhitzung signifikant niedriger, insbesondere bei Zellen mit Preußisch-Weiß-Kathodenstruktur.
    
3. Gute Rohstoffverfügbarkeit: Natrium kommt um 2–3 Größenordnungen häufiger vor als Lithium und seine Verarbeitung ist umweltfreundlicher. Das senkt nicht nur die Materialkosten von Natriumbatterien, es bietet auch gute Perspektiven, um die weltweit steigende Nachfrage an Batterien zu decken.
    
4. Temperaturbeständigkeit: Natriumbatterien können bei Temperaturen bis -30° betrieben werden. Das macht sie ideal für den Einsatz in Elektroautos, da die Fahrzeuge auf diese Weise auch an kalten Wintertagen eine bessere Fahrleistung bieten können als Lithium-Ionen-Batterien. Perspektivisch lässt sich dieser Vorteil auch beim Einsatz in Stromspeichern nutzen, wenn diese z. B. im Freien oder im Carport installiert werden.
    

Welche Nachteile können Natriumbatterien haben?

1. Geringe Energiedichte: Natriumbatterien haben eine geringere Energiedichte als NMC- und NCA-Batterien – an die Leistung von LFP-Batterien kommen sie allerdings schon fast heran. Daher sind Natriumbatterien häufig größer und schwerer als Lithiumbatterien mit der gleichen Ladekapazität.
    
2. Hohes Gewicht: Natriumbatterien sind in der Regel schwerer als Lithiumbatterien mit der gleichen Ladekapazität. Daher ist dieser Batterietyp nur für große Anwendungen wie E-Autos oder stationäre Stromspeicher geeignet.
    

Wo können Natriumbatterien künftig eingesetzt werden?

Derzeit eignen sich Natrium-Ionen-Batterien besonders gut für Anwendungen, bei denen Kosten, Nachhaltigkeit, Temperaturtoleranz und Sicherheit wichtiger sind als die Energiedichte der Batterie.

Derzeit sind Natrium-Ionen-Batterien vor allem in Elektroautos im Einsatz. So hat der chinesische Hersteller JAC Motors Ende 2023 das erste in Serie produzierte E-Auto mit Natriumbatterie auf den Markt gebracht. Für Kleinwagen mit einer begrenzten Reichweite zwischen 200 und 300 km bieten Natrium-Ionen-Akkus eine kosteneffiziente, sichere und temperaturbeständige Alternative zu Lithium-Ionen-Akkus. Perspektivisch ist der Einsatz von Natriumbatterien auch für Stromspeicher interessant, bei denen Batteriegröße und Gewicht eine untergeordnete Rolle spielen. Noch werden Natriumbatterien in diesem Bereich aber kaum eingesetzt.

Mit Voranschreiten der technologischen Entwicklung ist die Produktion von Natriumbatterien mit hoher Energiedichte (~160 Wh/Kg) möglich geworden. Diese sind vergleichbar mit dem unteren Ende der Lithiumbatterien wie etwa LFP-Akkus (~180 Wh/Kg). Wenn die Skaleneffekte ausreichen, um die Kosten auf ein ähnliches Preisniveau zu senken, könnten Natriumbatterien die Lithiumbatterie in Niedrigkostenmärkten wie Autorikschas, E-Bikes und Kurzstrecken- oder Leichtelektrofahrzeugen künftig ersetzen.
 

Unterschiede zwischen Natriumbatterien und Lithiumbatterien

Blick in die Zukunft: Wie entwickeln sich Natriumbatterien?

Weltweit wird der Bedarf an Batterien in den kommenden Jahren drastisch steigen – insbesondere durch die Mobilitätswende und die wachsende Zahl an Elektrofahrzeugen. Die Studie „Battery Monitor 2023“, die der Lehrstuhl „Production Engineering of E-Mobility Components“ (PEM) der RWTH Aachen gemeinsam mit dem Strategieberatungsunternehmen Roland Berger veröffentlicht hat, sagt für den Batteriemarkt ein jährliches globales Wachstum von 34 % bis 2030 voraus. 

Laut Prognose sollen Natriumbatterien dabei eine stärkere Rolle spielen. Aufgrund ihrer guten Rohstoffverfügbarkeit, ihrer Nachhaltigkeit und der geringen Kosten können Natriumbatterien in einigen Bereichen eine ernst zu nehmende Alternative zu Lithiumbatterien werden.
 

Insbesondere für die Elektromobilität und für stationäre Stromspeicher sind Natriumbatterien eine zukunftsfähige Lösung. Derzeit wird an unterschiedlichen Lösungen geforscht, um die Lebensdauer der Natriumbatterien zu verlängern. Der E-Auto-Hersteller CATL zum Beispiel setzt auf hybride Batteriemodule, die Natrium-Ionen- und Lithium-Ionen-Batterien kombinieren und mit einem intelligenten Batteriemanagementsystem steuern.

Forschende am Korea Advcanced Institute of Science an Technology (KAIST) haben erst vor Kurzem eine innovative Hybrid-Natriumbatterie vorgestellt. Sie nutzt Materialien, die normalerweise in Superkondensatoren eingesetzt werden. Auf diese Weise wird die Natriumbatterie innerhalb von Sekunden aufgeladen und hat eine Energiedichte, die mit der von Lithiumbatterien vergleichbar ist.  
 

Fazit: Natriumbatterien helfen, die steigende Nachfrage nach Batterien zu decken

In der Elektromobilität und im Bereich der stationären Stromspeicher sind Natrium-Ionen-Batterien eine sinnvolle und notwendige Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien: Sie sind sicher, preiswert und nachhaltig, zudem kommen sie ohne kritische Rohstoffe wie Nickel und Cobalt aus. 

Noch gibt es allerdings Einschränkungen beim flächendeckenden Einsatz von Natriumbatterien: Derzeit arbeiten Forschende und Hersteller weltweit an der Weiterentwicklung der Batterietechnologie. Schon jetzt gibt es verschiedene Ansätze, die darauf hindeuten, dass Natriumbatterien künftig als gleichwertige Alternative zu Lithiumbatterien genutzt werden können – und damit helfen, die wachsende Nachfrage nach Batterien zu decken.

Wir von SENEC haben uns dazu entschieden, Lithium-Eisenphosphat-Batterien (LFP-Akkus) in unseren Speicher-Systemen (SENEC.Home) einzusetzen, da diese aus unserer Sicht derzeit das beste Verhältnis von Leistung, Sicherheit, Lebensdauer und Wirtschaftlichkeit bieten. Als Unternehmen mit hohem Innovationsanspruch haben wir die Entwicklungen auf dem Batteriemarkt natürlich ständig im Blick – so können wir reagieren, wenn sinnvolle Alternativen zum Lithium-Akku die Marktreife erlangen.