Natrium-Ionen- und Lithium-Ionen-Batterien basieren auf denselben elektrochemischen Prinzipien, wobei Natrium Lithium ersetzt. Zwar sind für diese Substitution unterschiedliche Kathoden, Anoden und Elektrolyte erforderlich, doch die chemische Zusammensetzung bleibt bei beiden Technologien insgesamt ähnlich.

Unterschiede von Natrium-Ionen

Der größte Unterschied liegt in der Kathode. Natriumbasierte Alternativen zu den Lithium-Ionen-Kathoden NMC (Nickel-Mangan-Kobalt) und LFP (Lithium-Eisenphosphat) werden aktiv entwickelt: Die drei wichtigsten Arten von Natrium-Ionen-Kathoden sind Übergangsmetalloxide (ähnlich wie NMC), Polyanionen (ähnlich wie LFP) und Preußischblau-Analoga (spezifisch für Natrium-Ionen). Dies berichtet der IDTechEx-Bericht „Sodium-ion Batteries 2025-2035: Technology, Players, Markets, and Forecasts“.

Übergangsmetalloxide und Analoga von Preußischblau sind aufgrund ihrer geringen Kosten und der Vermeidung von Seltenerdelementen besonders vielversprechend. Übergangsmetalloxide, die in der Regel aus Natrium, Sauerstoff, Nickel, Eisen und Mangan bestehen, schließen Kobalt aus. So tragen sie den Nachhaltigkeitsproblemen Rechnung, mit denen Lithium-Ionen-Batterien zu kämpfen haben. Die Analoga von Preußischblau mit ihrer rhomboedrischen Struktur bestehen ausschließlich aus Natrium, Eisen, Kohlenstoff und Stickstoff. Dies macht sie für die Natriumionentechnologie einzigartig.

Was die Anode und den Elektrolyten betrifft, so sind Natrium-Ionen-Batterien weitgehend mit Lithium-Ionen-Batterien vergleichbar. Harte Kohlenstoffanoden, die in früheren Lithium-Ionen-Generationen verwendet wurden, sind die bevorzugte Wahl. Natrium-Ionen sind zu groß, um in Graphit eingelagert zu werden. Elektrolyte bestehen aus ähnlichen Salzen und Lösungsmitteln, wobei Natrium Lithium ersetzt.

Vergleich mit anderen Zellchemien

Beim Vergleich der verschiedenen Leistungsmerkmale lassen sich die allgemeinen Vor- und Nachteile der einzelnen Batteriechemien erkennen. Die Energiedichte ist immer noch geringer als die von Hochenergie-Lithium-Ionen-Zellen, die Nickel verwenden, aber sie nähern sich der Energiedichte von Hochleistungs-Lithium-Eisenphosphat-Zellen (LFP) an. Die Zykluslebensdauer von Zellen ist in einigen Konfigurationen angemessen.

Wettbewerbsfähigkeit

Ein Hauptvorteil von Natrium-Ionen-Batterien ist ihr Potenzial für niedrigere Kosten im Vergleich zu Lithium-Ionen-Technologien. Mit einer geschichteten Metalloxidkathode und einer Hartkohlenstoffanode werden die Materialkosten voraussichtlich etwa 25 bis 30 Prozent niedriger sein als bei einer Lithium-Eisenphosphat-Batterie (LFP). Diese Kostensenkung ist in erster Linie auf die Substitution von Lithium und Kupfer durch günstigeres Natrium und Aluminium zurückzuführen. Diese ermöglicht eine Kostensenkung von etwa 12 Prozent. Zurückführen lässt sich dies hauptsächlich auf die Verwendung von Aluminium als Stromabnehmer.

Die Kosten werden von mehreren Faktoren beeinflusst. Die Hauptkostentreiber jeder Batterie sind die Elektrodenmaterialien. Dabei gilt Hartkohle als führendes Anodenmaterial für Natrium-Ionen-Batterien. Hartkohle bietet zwar einen Kostenvorteil gegenüber Graphit, hat aber eine geringere Dichte. Dies bedeutet, dass für dasselbe aktive Material mehr Elektrolyt benötigt wird, was zu höheren Kosten und einer höheren Masse führt. Darüber hinaus ist Hartkohle in der Regel teurer als Naturgraphit, und bestimmte Varianten weisen eine geringere Leistung auf.

Wandel im Batteriemarkt möglich?

Die Zukunft von Natrium-Ionen-Batterien und ihre Fähigkeit, Lithium-Ionen-Batterien preislich zu unterbieten, ist nach wie vor umstritten. Während die Kosten für Lithium-Ionen-Batterien weiter sinken, ist der Zeitpunkt, zu dem die Natrium-Ionen-Technologie diese Preise erreichen oder unterbieten könnte, noch spekulativ. IDTechEx ist der Ansicht, dass technische Durchbrüche und nicht nur die reine Produktionssteigerung der Schlüssel zur Senkung der Kosten für diese Batterien sein könnte.

Wenn die Lithiumpreise weiterhin auf einem historischen Tiefstand bleiben, wird der Weg zur Kostenwettbewerbsfähigkeit von Natrium-Ionen-Batterien im nächsten Jahrzehnt schwieriger. Mit fortgesetzten technischen Fortschritten könnten sie sich als ergänzende Technologie herausstellen. Diese könnte bei Anwendungen, bei denen Kostensenkung und Materialverfügbarkeit von entscheidender Bedeutung sind, einen Mehrwert bieten.

Quelle: Shazan Siddiqi (Autor), leitender Technologieanalyst bei IDTechEx | www.solarserver.de © Solarthemen Media GmbH