Natrium statt Lithium: Die preisgünstige Alternative

CATL hat eine Natrium-Ionen-Zelle vorgestellt und plant den Produktionsbeginn für 2023. Welche Vor- und Nachteile bringt der Ersatz von Lithium? Christoph M. Schwarzer hat die Technologie von den Batterie-Experten von P3 Automotive und Prof. Dr. Markus Hölzle vom ZSW bewerten lassen. Das Potenzial ist groß!

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Contemporary Amperex Technology Ltd. (CATL) kündigt mit dem Aufbau einer Basisproduktion für Natrium-Ionen-Zellen nach eigener Lesart einen „Durchbruch“ an. Und in der Tat wäre der Ersatz des Alkalimetalls Lithium durch das nächste Element dieser chemischen Hauptgruppe die Möglichkeit zu einer weiteren klaren Kostensenkung. electrive.net sprach mit den Batterieprofis von P3 Automotive sowie mit Prof. Dr. Markus Hölzle vom ZSW (Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg), um zu einer realistischen Einschätzung von Natrium-Ionen-Zellen zu kommen.

CATL selbst wird in der Präsentation konkret: Das chinesische Unternehmen zeigt neben der eigentlichen Zelle auch ein Batteriesystem. Es mischt Lithium- und Natrium-Ionen-Zellen, um Schwächen der ersten Generation zu kompensieren. So reklamiert CATL eine vergleichsweise niedrige gravimetrische Energiedichte von 160 Wh/kg. Die nächste Generation soll 200 Wh/kg übersteigen; ein Startdatum nennt CATL dafür nicht.

Hard Carbon-Anode

„Den Entwicklern von CATL muss es gelungen sein, die bekannten Probleme der im Grundsatz nicht neuen Natrium-Ionen-Zellen zu lösen“, erklärt Markus Hölzle. Der promovierte Elektrochemiker, der vor seiner Tätigkeit für das ZSW lange und international für BASF unterwegs war, fährt fort: „Beim allerersten Laden gingen zum Beispiel bisher 20 Prozent der Kapazität verloren“, so Hölzle. Wahrscheinlich hat CATL anodenseitig den amorphen Kohlenstoff, das so genannte Hard Carbon, in Bezug auf irreversible Verluste und Schnellladefähigkeit deutlich verbessern können. Es ist also anzunehmen, dass hier ein Erfolg der Werkstoffforschung erzielt wurde.

„Kathodenseitig kommt Preußisch-Blau, ein ungiftiger Farbstoff, im vollständig mit Natrium-Ionen versetzten Zustand zum Einsatz“, erklärt Professor Hölzle weiter. Der Vorteil: „Es werden durchgehend kostengünstige Rohstoffe verwendet.“ Nicht nur Lithium, sondern auch die typischen Kathoden-Metalle wie Nickel und Kobalt entfallen. Den gegebenen Nachteilen wie der geringen Energiedichte zum Trotz kann sich Hölzle Natrium-Ionen-Zellen in allen Fahrzeugklassen vorstellen, weil die Autoindustrie immer genau auf die Abwägung zwischen Kosten und Nutzen achtet. Aber noch interessanter und zeitlich näher wären stationäre Anwendungen wie Batteriespeicher für Solaranlagen, denn bei diesen Anwendungen spielt die Energiedichte nur eine untergeordnete Rolle. Mit kostengünstigen Natrium-Ionenbatterien könnte man hier große Batteriespeicher zu akzeptablen Preisen realisieren.

Sein Fazit: „Ich vermute, dass CATL tatsächlich in die Serienproduktion gehen wird. Das Unternehmen ist mit Abstand der Marktführer in China und hat das klare Ziel, der Global Champion bei Batterien zu werden. Hierfür arbeiten mehrere hundert Wissenschaftler in der konzerneigenen Forschung am Hauptsitz in Ningde, China. Es ist angesichts der Größe und Bekanntheit von CATL unwahrscheinlich, dass hier übertrieben wird“, so Markus Hölzles Einschätzung.

Konkurrenz zu preisgünstigen LFP-Zellen

Das Beratungsunternehmen P3, das wirklich jede erhältliche Zelle einem Benchmarking unterzieht, bestätigt die Sichtweise des ZSW in weiten Teilen. P3 nennt drei Vorteile von Natrium- gegenüber Lithium-Ionen-Zellen: Sie sind leistungsfähiger in Bezug auf Lade- und Entladeleistung und bieten hierdurch Vorteile für Anwendungen mit hohem Leistungsbedarf, wie unter anderem Bordnetz-Batterien, Kleinfahrzeuge und Stationärspeicher für Stromnetze mit hohen Leistungsanforderungen. Zu Elektroautos passen sie laut P3 noch nicht ausreichend. Sie haben eine erstklassige Tieftemperatur-Performance. Und ihre Lebensdauer und thermische Stabilität – also die Sicherheit – ist sehr hoch „Weil die Energiedichte aber nicht mit aktuellen Lithium-Ionen-Batterien mit NCM-Kathode vergleichbar sind, ist die Kernwettbewerbstechnologie LFP“.

Das muss kurz erläutert werden: Mit wenigen Ausnahmen kamen und kommen bei Batterie-elektrischen Autos Lithium-Ionen-Zellen mit einer Kathode aus Nickel, Kobalt und Mangan zum Einsatz. Zwar hat sich das Mischverhältnis an der Kathode permanent verändert, aber der Grundaufbau ist ähnlich. Erst seit einem knappen Jahr verkauft Tesla das Model 3 SR+ mit Lithium-Eisenphosphat-Batterie. Diese Zellchemie ist äußerst robust, lässt ein enges Packaging im System zu und hat eine sehr hohe Zyklenfestigkeit.

Weil auf Kobalt und Nickel verzichtet werden kann, sinkt der Preis. Dem gegenüber stehen die Nachteile wie eine geringere Reichweite als Folge der niedrigeren Energiedichte – darum das Model 3 Standard Range Plus und nicht das Long Range – und eine schwache Leistung bei Kälte. Tesla wird dem Vernehmen nach bereits zum Jahresende die zweite Generation von LFP-Zellen einsetzen. Der Winter wird zeigen, welche Verbesserungen erzielt worden sind.

Bisher keine Anwendung im industriellen Maßstab

Zurück zur Einschätzung der Natrium-Ionen-Batterien durch P3: Der Reifegrad sei bisher gering, denn bei nüchterner Betrachtung müsse festgestellt werden, dass es eine Anwendung im großen industriellen Maßstab nicht gibt. „Etliche Startups von Faradion aus Großbritannien, Altris aus Schweden oder Tiamat aus Frankreich versuchen, diese Technologie zu kommerzialisieren“, so P3. Geschafft hat es noch keiner.

Wenn es gelingt, könnte der Kostenvorteil bei zehn bis 20 Prozent im Vergleich zu LFP liegen: „Die deutlich höhere Verfügbarkeit von Natrium sowie dessen einfachere und umweltfreundlichere Gewinnung sowie der Verzicht auf Kobalt und Nickel im Kathodenmaterial können zur deutlichen Reduktion der Zellkosten führen.“ Eine Anwendung hält P3 zwar auch in Kraftfahrzeugen für möglich, aber vorerst gehe der Trend zu stationären Speichern.

Vorhandene Produktionsverfahren nutzbar

Die Wirklichkeit des Einsatzes in einem serienmäßigen Elektroauto könnte dennoch früher erfolgen als der von Festkörper-Batterien: „Schätzungsweise wird der entsprechende Reifegrad für eine Großserienindustrialisierung schneller erreicht sein als beispielsweise durch All Solid State, weil aufgrund der Drop-In-Technologie (gleiche Fertigungstechnologien und ähnliche Materialkombinationen wie bei Lithium-Ionen-Batterien) die Skalierbarkeit als relativ hoch eingestuft werden kann.

Weder das ZSW noch P3 legen sich aktuell auf einen Preis fest. Optimisten gehen aber von Kosten von 30 US-Dollar pro Kilowattstunde aus. CATL wird Natrium-Ionen-Zellen im Zeitraum ab oder nach 2023 sehr wahrscheinlich produzieren. Zeitgleich werden in Deutschland auch vermehrt Elektroautos mit LFP-Zellen auf den Markt kommen. Volkswagen zum Beispiel hat das für die Einstiegsmodelle ID.1 und ID.2 bereits festgelegt. Wegen der besseren Leistung und den nochmals niedrigeren Kosten bei zugleich höherer Umweltfreundlichkeit könnten Natrium-Ionen-Zellen also in der zweiten Hälfte des Jahrzehnts zu einer Konkurrenz für LFP werden. Wie immer bei Batterien gibt es keinen Anlass zur Euphorie. Aber zur Zuversicht: Die Kostensenkung ist der wichtigste Aspekt beim weltweiten Massenhochlauf der Elektromobilität.