Angesichts der begrenzten Verfügbarkeit von Lithium arbeiten Forschende vermehrt an alternativen Batterietechnologien – zum Beispiel auf Basis von Natrium. Im Projekt „Vier-Volt-Natrium-Ionen-Batterie“ (4NiB) will das ZSW in den nächsten drei Jahren eine leistungsstarke und kosteneffiziente Batterie entwickeln. Sie ist für Elektrofahrzeuge im Stadtverkehr und stationäre Batteriespeicher gedacht. Die weiteren Projektpartner sind das Institut für Technologie (HIU-KIT) am Helmholtz-Institut Ulm-Karlsruhe, das Institut für Energie- und Klimaforschung des Forschungszentrums Jülich, sowie das Freiburger Materialforschungszentrum (FMF) der Albert Ludwigs Universität Freiburg. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert das Projekt unter dem Förderkennzeichen 03XP0572 mit 1,35 Millionen Euro über einen Zeitraum von drei Jahren.

Natrium-Batterien schonen Ressourcen und Umwelt

Natriumbatterien könnten grundsätzlich das Ressourcenproblem lösen. Natrium, Bestandteil des Meer- und Kochsalzes Natriumchlorid, gibt es sozusagen wie Salz im Meer. Auch die für Lithiumbatterien nötigen kritischen Rohstoffe Kobalt und Nickel kann man sich bei der Natriumbatterie sparen. Zudem könne man auf Kupferfolien verzichten und das in Lithiumbatterien gängige Graphit durch Kohlenstoffverbindungen aus nachwachsenden Rohstoffen ersetzen. Das würde die Kosten senken und die Nachhaltigkeit verbessern. In China würden solche Natriumionenbatterien bereits kommerzialisiert, heißt es vom ZSW. Europa müsse daher so schnell wie möglich nachziehen. Bis zum wirklichen Massenprodukt würden jedoch noch einige Jahre vergehen, denn es muss viel an diesem neuen Batterietyp optimiert werden.

Hartkarbon aus Bioabfällen ersetzt Grafit als Anodenmaterial

Die Forschenden haben dabei noch viel zu tun. Für die Vier-Volt-Natrium-Ionen-Batterie wollen sie Kathode, Anode und Elektrolyt jeweils entwickeln und optimiert aufeinander abstimmen. Am Ende wollen sie eine Hochleistungszelle im Pouch-Format präsentieren, die eine spezifische Energiedichte von über 200 Wh/kg erreicht. Zum Vergleich: Hochenergie-Batterien auf Lithium-Ionen-Basis schaffen laut Fraunhofer ISI eine Energiedichte von etwa 250 Wh pro kg.

Auf der Kathodenseite steht laut ZSW die Entwicklung von Hochvoltkathoden mit vier Volt im Fokus. Hierbei liegt der Schwerpunkt auf der Entwicklung sicherer, hochspannungsstabiler Mischphosphate aus Polyanionen. Mithilfe von Simulationen wollen die Forschenden die optimale Zusammensetzung der Übergangsmetalle ermitteln, um möglichst viel Energie zu speichern zu können.
Die Anode wollen die Forschenden auf Basis von Hartkohle herstellen, die aus Bioabfall stammen soll. Es sollen nicht näher spezifizierte Vorprodukte genutzt werden, die es in Deutschland reichlich gibt.

Der Elektrolyt soll eine nicht-wässrige Flüssigkeit sein, der zur Erhöhung der Leitfähigkeit und der Sicherheit eine sogenannte ionische Flüssigkeit zugesetzt werden kann. Es sollen zudem Strategien zur Vorladung (Vor-Sodierung) solcher Batterien entwickelt werden, um so die Energie in der Batterie zu maximieren.

Rohstoffe sind nicht nur in der Photovoltaik- und Batterietechnik ein Thema, sondern auch für die Energiewende als Ganzes. Die Internationale Energie Agentur IEA bewertet zum Beispiel auch Kupfer als kritisch – denn ohne das Metall geht in elektrischen Systemen so gut wie nichts.

Quelle: ZSW | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH