Wissenschaftler suchen nach Alternativen zu Lithium-Akkus. Als vielversprechend gelten Natrium-Ionen-Batterien, doch die Anode ist bislang eine Schwachstelle. Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) entwickelt in einem Kooperationsprojekt neuartige Kern-Schale-Verbundwerkstoffe, die zu effizienten Akkus mit verbesserter Sicherheit führen sollen.
Bisher beruhen Batterien, die Elektroautos antreiben, als stationäre Stromspeicher dienen oder für industrielle Anwendungen genutzt werden, fast ausschließlich auf der Lithium-Ionen-Technologie. Bei allen Vorzügen besitzt das Batteriematerial Lithium auch Nachteile: Die globalen Reserven des Alkali-Metalls sind begrenzt. Sein Abbau aus Salzwasser ist kostspielig und wenig umweltschonend. Zudem benötigen Lithium-Batterien aktuell für die Elektroden Cobalt und Nickel – Metalle, die ebenfalls unter problematischen Bedingungen abgebaut werden beziehungsweise giftig sind.
Die vom BAM untersuchten Natrium-Ionen-Batterien sie sind eine „Drop-in-Technologie“, können also auf die gängige Batterieproduktion übertragen werden. Zudem benötigen sie weder Cobalt noch Nickel. Vor allem aber ist Natrium als natürlicher Bestandteil von Kochsalz leicht verfügbar. Als Schwachstelle von Natrium-Ionen-Batterien gilt bislang das Material des „Pluspols“, vereinfachend auch als Anode bezeichnet. Dieses Material ist der „Tank“ einer elektrischen Batterie, es soll im geladenen Zustand möglichst viele positive Natrium-Ionen speichern können. Somit ist es entscheidend für die Effizienz des Akkus.
An der BAM startete kürzlich ein Kooperationsprojekt, das sich der Suche nach einem geeigneten Anoden-Material widmet, um die Natrium-Ionen-Technologie voranzubringen. Angesiedelt ist es im neuen Batterietestzentrum, das die BAM kürzlich eröffnet hat. Statt Graphit – wie bei den etwas kleineren Lithium-Ionen – werden dazu bei Natrium-Ionen bisher sogenannte Hard Carbons verwendet. In den Poren und Gängen des ungeordneten Kohlenstoffs können sich jedoch nicht nur Natrium-Ionen einlagern, sondern es gelangt auch Elektrolyt, die Ionen-leitende Flüssigkeit der Batteriezelle, hinein. Das führt zu unerwünschten Verlusten der Speicherkapazität und geht somit auf Kosten der Effizienz.
„Es ist sehr komplex, die ideale Struktur für diese neuartigen Materialien zu finden. Wir wollen dafür maßgeschneiderte Verbundwerkstoffe entwickeln, die möglichst vielen Natrium-Ionen Platz bieten, Elektrolyte aber fernhalten“, erklärt Tim-Patrick Fellinger, der das Verbundprojekt leitet und an der BAM Experte für Energiematerialien ist. „Die Herausforderung ist es, ein Material zu finden, das zugleich sicher und effizient ist.“
Beteiligt an dem Verbundprojekt sind das Helmholtz-Zentrum Berlin und die TU Berlin sowie mehrere Unternehmen, die sich auf Kohlenstoffmaterialien für Batterien spezialisiert haben. Der schnelle Wissensaustausch mit der Industrie sei wichtig, betont Fellinger. „Wenn wir mit unserem Konzept erfolgreich sind, würde dies einen großen Innovations-Schub für die Natrium-Ionen-Technologie insgesamt bedeuten.“
Sebastian meint
Was hier nicht erwähnt wurde:
bei -20 Grad immer noch 90% Kapazität
schnellladefähig schon bei unter 20 Grad Akku
Peter Berger meint
Das „next big thing“ wird der Stromtium – Barium Akku der sich derzeit in der Entwicklung befindet. Die Stärke ist die hohe Ladegeschwindigkeit, leider ist die Energiedichte noch nicht so hoch.
alupo meint
Meines Wissens sind natriumbasierte Akkumulatoren elektrochemisch bedingt unterhalb von den LiFePO4-Akkus anzusiedeln, d.h. sie sind größer und schwerer als die bisher kostengünstigsten Lithium-Eisenphosphat-Akkus die in BEVs aktuell verbaut werden (bei Tesla als SR bezeichnet).
Dennoch kann ich mir durchaus vorstellen, dass wenn es weniger auf maximale Reichweite UND auf eine maximale Zuladung ankommt sondern auf einen möglichst niedrigen Preis, diese Chemie die erste Wahl darstellen könnte, denn Natrium gibt es als Kochsalz „wie Sand im Meer“.
Die Frage ist dabei eher, wohin mit dem dabei ebenfalls aus der Elektrolyseanlage anfallenden Cl2 (die vergleichsweise geringen Mengen an ebenfalls anfallenden Wasserstoff bekommt man sicher unter, und wenn er zu Heizwert verkloppt wird)? Zumindest konnte man das gefährliche Chlor früher als Salzsäure bei uns in Europa in die Nordsee „verklappen“. In den USA hat man Chlor in Form von HCl in tiefe Schächte entsorgt, denn soviel PVC (über die Oxichlorierung) braucht niemand auf der Welt (der Preis im Markt (DAP) war daher meist negativ) und die Na-Produktion (als NaOH) ist nun einmal eine Kuppelproduktion von Chlorgas, Natronlauge (als Bäckerlauge gut für die Bretzel) und etwas Wasserstoff.
Auf der anderen Seite der Preisskala steht dann der Feststoffakku, der vielleicht ab 2030 in den superteuren BEVs verbaut werden könnte, also ab 100 bis 250 k€ aufwärts.
Mal sehen was früher kommt….
nilsbär meint
„BAM hat eine Na-Ionen-Batterie entwickelt, die in E-Autos ausgiebig getestet wurde und gute Ergebnisse zeigt.“ Das wäre eine gute Nachricht.
„BAM hat eine Na-Ionen-Batterie entwickelt, die im Labor gute Ergebnisse zeigt.“ Das wäre vielleicht noch eine Randnotiz wert. Zu oft haben sich solche ‚Erfolgsmeldungen‘ als geschönt und nicht umsetzbar erwiesen. Aber:
„BAM will eine Na-Ionen-Batterie entwickeln.“ Das ist doch eine Null-Nachricht. Ich will auch Milliardär werden.
Peter W meint
Hat CATL dieses Problem nicht schon gelöst? CATL hat die Seienproduktion der Natriomionen-Akkus für 2023 angekündigt, da sollten die doch eigentlich schon einen Werkstoff gefunden haben. Besser geht natürlich immer, aber der Bericht soll wohl suggrerieren, dass es da noch nichts gibt, und unsere deutschen Forscher ganz dicht dran sind.
Kasch meint
Genau so ist es und Tesla dürfte unbegrenzten Zugriff haben. Daneben werden LFP-blade von BYD direkt, aber auch über Toyota demnächst in geilen BEVs zu uns kommen. LFP-Rundzellen in Teslas auch 1A – ist ein rasantes Rennen bei dem Europa leider nie Fuß fassen wird.
Mäx meint
Schauen wir mal wie und was in Teslas eingebaut wird.
Mir ist in Erinnerung geblieben, dass Elon ausmisten wollte bei den Formaten/Chemien.
Übrig bleiben sollte eine Low-Cost/High Volume (Stand jetzt soll das LFP sein und nicht unbedingt im 4680 Format) und eine High-Performance Zelle (NMC oder ähnliches, im 4680 Format). Falls 4680 in nächster Zeit nicht liefert, gibt es Pläne 21700 weiter zu benutzen.
Die LFP könnten auch von BYD kommen, aber das wurde offiziell zumindest dementiert.
Andi EE meint
Es kann auch sein, dass Tesla das 4680er Format über Bord werfen muss. Im Batteriesektor ist alles möglich, man muss flexibel sein. Grosse Investitionen können sich schnell als Flop erweisen.
Mäx meint
@AndiEE
Das stimmt; da ist viel Bewegung weil viel Entwicklung passiert.
Ich hab ja auch geschrieben, dass man mal abwarten muss, was letztendlich verbaut werden wird.
Stand jetzt (August 2021) will Tesla in Zukunft LFP (vermutlich nicht 4680) und NMC (vermutlich 4680) verbauen und BYD wird Tesla nicht beliefern.
Das ist die Faktenlage, die ich habe über die News, die man so liest.
Andi EE meint
@Mäx
Ja, so stellt es sich jetzt dar. Wobei Tesla mit CATL schon den Richtigen Partner für die günstigen Modelle ausgesucht hat. Die wichtigste Eigenschaft im unteren Segment ist nicht die Kapazität / Reichweite, nein es ist ganz klar der Preis und wenn es noch besser als LFP wird, umso besser.
Sebastian meint
kommt der ET7 wirklich mit 150 kWh… wer braucht dann noch die 4680 Zellen?
GE meint
Solange die Fabrik für die Zelle am Ende auch in Deutschland/Europa steht sollte es zu verschmerzen sein. CATL , Tesla und noch einige mehr planen ja auch Zellproduktion vor Ort.
Kasch meint
PS: den Graphenakku von GAC hätt ich ja fast vergessen. Die Chinesen rollen an – irre !
Stefan meint
Aus diesen und anderen Artikeln kann man wohl herauslesen, dass Sie einen fertigen Akku haben, der aber mehr Volumen für die gleiche Kapazität braucht wie ein Lithium-Ionen-Akku.
Eine regelmäßige Weiterentwicklung der Akkutechnik ist gut. Für eine serienmäßige Fertigung von Elektroautos braucht es aber eine Produktion in einer ausentwickelten Akktutechnik, die über viele Jahre gleichmäßig läuft. Auch für Ersatzteile.
Andi EE meint
@Peter
Dachte ich mir auch. Ist das jetzt Patriotismus, bewusste Fehlinformation oder will man wirklich nur Deutsche mit Deutschen Themen versorgen.
Es ist das Gleiche wie mit Tesla, hier ist es immerhin der Martleader CATL in der Batteriebranche.