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Elektromobilität Batterien
Sind Natriumionenbatterien das nächste große Ding in der Solarbatteriespeicherung?
Vor mehr als 200 Jahren entdeckte ein kluger junger Chemiker namens Sir Humphry Davy, dass Natrium als Material für Batterien verwendet werden kann. Doch für die nächsten zwei Jahrhunderte blieben Natriumionenbatterien ein schlafender Riese ohne kommerzielle Anwendungen.
Nun scheint endlich die Zeit für den Siegeszug von Na-Ionen-Batterien nahe zu sein. Mehrere große Batteriehersteller haben umfangreiche Pläne zum Einstieg in die Technologie angekündigt. Aber sind Natrium-Ionen-Batterien wirklich bereit, die Welt zu erobern? Oder ist es nur eine Modeerscheinung unter Batterie-Nerds? Schauen wir genauer hin und finden es heraus.
Natrium-Ionen-Batterien Source: Acculon
Die Entwicklung von SIBs begann in den 1970er und 80er Jahren, aber das Interesse an der Technologie hat im letzten Jahrzehnt seinen Höhepunkt erreicht, insbesondere aufgrund der Lithiumknappheit und der Umweltauswirkungen seines Abbaus.
Um wirklich zu verstehen, ob Natriumbatterien im Vergleich zur bewährten Li-Ionen-Technologie eine Chance haben, vergleichen wir sie direkt miteinander, damit wir eine fundierte Vermutung anstellen können.
Natrium-Ionen-Batterien im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien
Derzeit sind Li-Ionen-Batterien der König der Batteriewelt. Im Jahr 2020 wurde der weltweite Markt für Lithium-Ionen-Batterien auf über 40 Milliarden US-Dollar geschätzt und soll bis 2026 unglaubliche 92 Milliarden US-Dollar erreichen. Gleichzeitig gehen einige Experten jedoch davon aus, dass Natriumbatterien (SIBs) Lithiumbatterien völlig überholen könnten innerhalb einiger Jahre. Hier sind einige Vor- und Nachteile von SIBs gegenüber Lithium-Ionen-Batterien.
Was sind Natriumionenbatterien?
Eine Natrium-Ionen-Batterie, auch bekannt als SIB, ist eine wiederaufladbare Batterie, die einer Lithium-Ionen-Batterie – dem amtierenden Champion unter den Batterien – sehr ähnlich ist. Anstelle von Lithiumionen verwendet ein SIB Natriumionen als Ladungsträger.
1. SIBs sind günstiger als Li-Ionen-Batterien
Wie Sie wahrscheinlich schon erraten haben, ist Lithium ein ausgefallenes Element. Um Lithium für Batterien zu beschaffen, ist ein umfangreicher Bergbau nötig. Li-Ionen-Batterien verwenden auch andere teure Materialien wie Kupfer und Kobalt. Natriumionenbatterien hingegen nutzen Elemente, die im Überfluss vorhanden sind.
Bemerkenswert ist, dass der Star dieser Batterie – Natrium – ein unglaublich häufig vorkommendes Element ist. Natrium ist nicht nur in Ihrer Sojasauce enthalten, es ist auch das sechsthäufigste Element auf der Erde. Es kommt in Form von Salz in den Weltmeeren vor und es gibt genug Salz in den Ozeanen, um den gesamten Planeten mit einer 40 Stockwerke dicken Salzschicht zu bedecken.
Darüber hinaus sind die anderen von SIBs verwendeten Materialien Aluminium, Eisen und Mangan, die leichter verfügbar und billiger sind als Materialien auf Lithium-Ionen-Basis wie Kupfer und Kobalt. Dadurch werden SIBs deutlich günstiger.
Experten gehen davon aus, dass SIBs ab einem bestimmten Produktionsmaßstab 30–40 % günstiger sein können als Li-Ionen-Batterien. Wenn also die Tesla Powerwall einen Preis von 11.800 US-Dollar hat, könnte eine vergleichbare Na-Ionen-Batterie etwa 8.000 US-Dollar kosten.
5. Natriumionenbatterien sind mit bestehenden Lithium-Ionen-Produktionsanlagen kompatibel
Ein großes Problem bei neuen Technologien ist typischerweise die Notwendigkeit, den größten Teil oder die gesamte bestehende Fertigungseinrichtung zu ersetzen, was hohe Vorlaufkosten erfordert. Glücklicherweise ist dies bei Natrium-Ionen-Batterien nicht der Fall. Da ihr Aufbau Li-Ionen-Batterien sehr ähnelt, können SIBs mit geringfügigen Modifikationen im gleichen Aufbau hergestellt werden.
Aus diesem Grund gehen Experten davon aus, dass eine große Anzahl von Produktionsstätten für Lithiumbatterien in naher Zukunft nahtlos auf die teilweise oder vollständige Herstellung von Natriumionen umsteigen könnte.
Hier ist eine Grafik, die die Unterschiede zwischen den wichtigsten Batteriechemien, einschließlich SIBs und Li-Ion, zusammenfasst:
2. SIBs sind sicherer als Li-Ionen-Batterien
Ein großer Vorteil von Natriumionenbatterien ist ihre Immunität gegen thermisches Durchgehen. Mit anderen Worten, sie sind nicht brennbar und es ist wirklich schwierig, sie in Brand zu setzen oder, schlimmer noch, zu explodieren. Lithiumbatterien hingegen sind nicht so sicher.
Während im Handel erhältliche Li-Ionen-Batterien namhafter Marken strengen Tests auf thermische Sicherheit unterzogen werden, sind Geschichten über brennende oder explodierende Elektrofahrzeuge keine Seltenheit.
Aber nicht nur bei hohen Temperaturen schlagen SIBs Li-Ionen-Batterien. Sie funktionieren auch bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt außergewöhnlich gut. Darüber hinaus können SIBs auch bei Null Volt gelagert werden, was ihre Lagerung und ihren Transport wesentlich sicherer macht als Li-Ionen-Batterien.
Daher können Sicherheit und ein größerer Betriebstemperaturbereich, sobald sie alltäglich sind, wichtige Verkaufsargumente für SIBs sein.
Markttrends für Natriumionenbatterien
Bis vor ein paar Jahren schienen Natriumionenbatterien eine futuristische, unsichere, aber interessante Technologie zu sein. Aber mit der rasanten Forschung in diesem Bereich und dem zunehmenden Druck auf die Li-Ionen-Technologie, nachhaltiger zu sein, entwickeln sich Natriumionen plötzlich zum nächsten großen Ding. Hier sind einige Orte, an denen SIB in den letzten Jahren für Neuigkeiten sorgte:
Im November 2023 kündigte der schwedische Batterieentwickler Northvolt seine erste Natrium-Ionen-Batterie an. Mit einer branchenführenden Energiedichte von 160 Wh/kg versprechen die Batteriezellen eine kostengünstige und nachhaltige Energiespeicherung für verschiedene Zwecke.
Im selben Monat wie Northvolt sorgte BYD mit der Ankündigung seines 30-GWH-Natriumionenbatteriewerks für Schlagzeilen. BYD, derzeit der weltweit größte Hersteller von Elektrofahrzeugen, investiert satte 10 Milliarden RMB (2,3 Milliarden NZD) in die Anlage.
Acculon mit Sitz in den USA gab im Januar 2024 bekannt, dass es mit der Produktion von Natriumionen-Batteriemodulen für mobile und stationäre Anwendungen beginnt. Ab Mitte 2024 will das Unternehmen mit der Produktion mit einer Kapazität von 2 GWh beginnen
3. SIBs sind nachhaltiger als Li-Ionen-Batterien
Lithium-Ionen-Batterien haben eine wichtige Rolle beim Wachstum der Solarenergie gespielt und reduzieren mancherorts auch den CO2-Ausstoß, indem sie Diesel- oder Benzingeneratoren ersetzen. Sie verwenden jedoch auch Materialien, die einen umfangreichen Abbau erfordern, was eine große Einschränkung darstellt.
Natriumionenbatterien hingegen verwenden natürlich vorkommende Materialien und verursachen daher im Herstellungsprozess nur minimale Kohlenstoffemissionen – vielleicht vergleichbar mit Ihrer Sojasauce!
4. SIBs sind schwerer als Li-Ionen-Batterien
Natrium ist ein schwereres Element als Lithium. Im Periodensystem finden Sie es in derselben Gruppe wie Lithium, jedoch eine Zeile darunter. Mit einem Atomgewicht von 23 g/mol ist Natrium dreimal so schwer wie Lithium, dessen Atomgewicht nur 6,9 g/mol beträgt.
Natürlich sind Natrium-Ionen-Batterien schwerer als Lithium-Batterien. Allerdings sind sie nicht dreimal so schwer, da Natrium nur eine der Komponenten ist, die beim Aufbau eines SIB eine Rolle spielen. Darüber hinaus verfügen SIBs trotz ihrer geringen Energiedichte über bessere Hochleistungseigenschaften, was bedeutet, dass sie eine höhere Dauerleistung pro kg bieten können als Li-Ionen.
Aufgrund seines höheren Gewichts und der daraus resultierenden geringeren Dichte ist es möglicherweise für Hochleistungs-Elektroautos ungeeignet. Sie können jedoch eine wunderbare, kostengünstige Alternative zu elektrischen Caddies, Golfwagen usw. sein.
Und was den Einsatz im Wohnbereich betrifft, schadet ein wenig mehr Gewicht nicht (es sei denn, man lässt es auf den Zeh fallen).
Das in Kalifornien ansässige Unternehmen Natron Energy verkauft bereits Natriumionenbatterien und verspricht Vorteile wie 50.000 Lebenszyklen, 8-minütiges Schnellladen usw.
Das in Großbritannien ansässige Unternehmen Faradion bezeichnet sich selbst als Weltmarktführer in der nichtwässrigen Natrium-Ionen-Zellentechnologie mit dem eingängigen Versprechen „Lithium-Ionen-Leistung zu Blei-Säure-Preisen“.
Der indische Technologieriese KPIT hat kürzlich seine proprietäre Natrium-Ionen-Batterietechnologie vorgestellt und ist nun auf der Suche nach Produktionspartnern.
Das in Großbritannien ansässige Forschungsunternehmen IDTechEx erwähnt, dass die weltweit bisher angekündigten Kapazitäten von Natriumionen-Produktionsanlagen bereits die 100-GWh-Marke überschritten haben. Das mag viel niedriger klingen als die kumulative Lithium-Ionen-Kapazität von 1,6 TWh, aber SIBs holen schnell auf, und das lässt sich nicht leugnen.
Fazit: Werden Natriumionen die Batteriewelt erobern?
Die obige Frage kann einfach wie folgt umformuliert werden: „Können Natriumionen Lithiumionen schlagen?“ Und die Antwort darauf ist unserer Meinung nach nicht so dramatisch (d. h. ein „Ja“ oder „Nein“). Die offensichtlichen Vorteile von Natriumionen machen es zu einer ausgezeichneten Wahl für zahlreiche Anwendungen, beispielsweise für die Batteriespeicherung in Privathaushalten.
Es gibt jedoch Bereiche, in denen Lithium-Ionen-Batterien weiterhin ihre Überlegenheit behalten werden, beispielsweise bei der Hochleistungsmobilität. In einer Zeit, in der Sportwagen versuchen, jedes Kilogramm Gewicht zu verlieren und gleichzeitig Leistung und Reichweite beizubehalten, ist es unwahrscheinlich, dass Natrium-Ionen-Batterien es in einen Tesla oder einen Porsche schaffen.
Abgesehen davon gibt es noch eine gigantische Welt an Anwendungen, die noch verfügbar sind, wenn man leistungsstarke Elektrofahrzeuge ausschließt, was bedeutet, dass die Antwort auf die obige Frage wie folgt lauten würde: „Natrium-Ionen-Batterien haben das Potenzial, die Batteriewelt fast vollständig zu erobern“, und das Wort „ „fast“ ist hier wichtig.
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Fuentes: By Aniket Bhor on 9th February 2024 in Battery Storage For Solar; https://www.mysolarquotes.co.nz/blog/battery-storage-for-solar/are-sodium-ion-batteries-the-next-big-thing-/
