US-Forscher erhöhen Energiedichte von Natrium-Ionen-Batterien

Forscher des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums haben ein neues Kathodenmaterial für Natrium-Ionen-Batterien entwickelt und patentiert. Dieses soll eine deutlich höhere Energiedichte als bei anderen Natrium-Ionen-Zellen ermöglichen – bleibt aber nach wie vor etwas hinter der Lithium-Ionen-Technologie zurück (Update am Artikelende).

Bild: Argonne National Laboratory

In Abwandlung der bekannten NMC-Kathoden für Lithium-Ionen-Batterien handelt es sich bei der Entwicklung des Argonne-Labors um ein Natrium-Nickel-Mangan-Eisen-Oxid (NMF). Im Vergleich zu anderen Natrium-Ionen-Technologien biete die Kathode eine viel höhere Energiedichte, die ausreiche, um Elektroautos zu Reichweiten von etwa 180 bis 200 Meilen (290 bis 320 Kilometern) pro Ladung zu verhelfen.

Bei NMC-Kathoden sind die Atome schichtweise angeordnet. Diese Struktur ermöglicht ein einfaches Einfügen und Extrahieren von Lithium-Ionen zwischen den Schichten. Basierend auf den Erkenntnissen aus insgesamt zehn Jahren Forschungsarbeit mit Natrium-Ionen-Batterien hat das Team um dem leitenden Chemiker Christopher Johnson eine geschichtete Oxidkathode speziell für Natrium-Ionen-Batterien entwickelt.

NMF-Kathode soll auch Lebensdauer erhöhen

Die Schicht-Struktur der NMF-Kathode soll das effiziente Einfügen und Extrahieren von Natrium-Ionen ermöglichen, so das Argonne National Laboratory in der Mitteilung. Und da das Kathodenmaterial kein Kobalt enthält, sollen auch die „mit diesem Element verbundenen Kosten-, Knappheits- und Toxizitätsbedenken“ abgemildet werden.

Die Forscher wollen auch einen weiteren Nachteil früherer Natrium-Ionen-Batterien behoben haben: die kurze Lebensdauer. Mit dem neuen Kathodenmaterial erreichen Natrium-Ionen-Zellen eine ähnliche Anzahl an Lade-/Entladezyklen wie ihre Lithium-Ionen-Pendants. „Wir haben die Laborphase nun hinter uns gelassen und sind bereit, unsere Kathode Tests in Batteriezellen zu unterziehen, die denen in einer tatsächlichen Elektrofahrzeugbatterie ähneln“, sagt Johnson. Diese Tests werden in der Zellanalyse-, Modellierungs- und Prototyping-Einrichtung von Argonne durchgeführt. 

Die Vorzüge von Natrium als Batteriematerial sind bekannt: Natrium kommt in der Natur weitaus häufiger vor und lässt sich leichter abbauen als Lithium. Dadurch kostet es nur einen Bruchteil der Kosten pro Kilogramm und ist deutlich weniger anfällig für Preisschwankungen oder Störungen in der Lieferkette. „Unsere Schätzungen gehen davon aus, dass eine Natrium-Ionen-Batterie ein Drittel weniger kosten würde als eine Lithium-Ionen-Batterie“, so Johnson. Darüber hinaus enthält das Kathodenmaterial neben Natrium überwiegend Eisen und Mangan.

Ein Punkt, den das Forscher-Team physikalisch nicht beheben kann: Natriummetall ist rund drei Mal schwerer als Lithium. Das erhöht das Gewicht der Batterie und senkt damit die Reichweite. Johnson betont, dass die Natrium-Ionen-Batterie zwar für diejenigen, die große Reichweiten suchen, möglicherweise nicht attraktiv sei, sie jedoch preisbewusste Verbraucher anziehen könnte, insbesondere Stadtbewohner, deren tägliche Fahrt eine Distanz von 300 Kilometern selten überschreitet. 

Mit der höheren Energiedichte der Kathode ist den US-Forschern bereits ein wichtiger Schritt gelungen, Natrium-Ionen-Batterien für mehr Fahrzeugsegmente attraktiv zu machen. Johnsons Team arbeitet laut der Mitteilung bereits daran, neue Materialien für die beiden anderen Hauptkomponenten einer Batterie – den Elektrolyten und die Anode – zu entwickeln, um die Energiedichte noch weiter zu steigern. 

Update 30.09.2024: Die Forscher des Argonne National Laboratory melden Fortschritte bei der Entwicklung ihres neuen Kathodenmaterials für Natrium-Ionen-Batterien. Sie geben an, ein zentrales Problem überwunden zu haben, das sich darin zeigt, dass die Energiespeicherkapazität der natriumhaltigen Kathode bei wiederholtem Entladen und Laden rapide abnimmt. Dies sei auf Risse in den Kathodenpartikeln während des Syntheseprozesses zurückzuführen, so die Wissenschaftler. Und: Dies konnten sie „durch bestimmte Wärmebehandlungen verhindern“.

Der am Projekt beteiligte Chemiker Gui-Liang Xu kommentiert: „Natrium-Ionen-Batterien entwickeln sich aufgrund des größeren Vorkommens und der niedrigeren Kosten von Natrium zu einer überzeugenden Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien.“ Das Team arbeite nun daran, das Nickel aus der Kathode zu entfernen, was die Kosten noch weiter senken und nachhaltiger sein würde.

anl.gov, anl.gov (Update)

14 Kommentare

zu „US-Forscher erhöhen Energiedichte von Natrium-Ionen-Batterien“
Ruedi
09.01.2024 um 10:25
Woanders habe ich gelesen daß Natrium-Ionen-Batterien bis zu 90.000 Zyklen aushalten können.
sebastian
11.01.2024 um 21:39
Es gibt dort ganz verschiedene Zyklenzahlen , die auch von Herstellern genannt werden, die aus dem Status eines "Wunderstart-Up" raus sind und liefern müssen. Die 50.000-100.000 Zyklen nennt Natron Energy. https://natron.energy/product/
Christoph
10.01.2024 um 07:11
Das war wahrscheinlich eine dieser "Start-Up entwickelt Wunderakku"-Geschichten, wie es sie jede Woche neu gibt. Alle Wunderakkus haben mehr oder weniger die gleichen technischen Daten: 500 kWh Kapazität, völlige Kälteunempfindlichkeit, 100000 Ladezyklen, 100 % biologisch abbaubar. Ladeleistung von >300 kWh, Größe einer Streichholzschachtel, kostet die Hälfte von heutigen Akkus, kurz vor der Serienreife, garantiert in 3 Monaten auf dem Markt verfügbar.
Zenon
10.01.2024 um 17:56
Alles bis auf Ladeleistung perfekt dargestellt. Mir geht's genauso, wenn ich die, schon seit einigen Jahren, Nachrichten über Superakkus lese. Betreffend die Ladeleistung, sie kann nur >300kW, also ohne 'h' am Ende, sein. Mit 'h' wäre dann die Energie angesprochen und die mit der Leistung nicht viel zu tun hat (leider kommt die Verwechslung sehr oft vor). Mit oder ohne bleiben wir jedoch voller Hoffnung, dass irgendwann tatsächlich ein Akku den Zusatz Super voll verdienen wird. Dazu gleich die zweite Hoffnung, es wird nicht unbedingt durch den sehr agressiven im Wettbewerb Staat entwickelt.
Malthus
09.01.2024 um 15:59
Mag's geben, aber mit (noch) besch...enerer Energiedichte: Es gibt, wie bei den LIB, nicht nur EINE SIB-Chemie... fängt an mit organisch oder wasserbasiertem Elektrolyten:https://www.ffb.fraunhofer.de/content/dam/ipt/forschungsfertigung-batteriezelle/Dokumente/231009_FFB_TP1_AP1_DV13_Umfeldbericht-SIB.pdf
Bernd
09.01.2024 um 20:29
Auch endlich eine Möglichkeit für kleinere, günstigere Fahrzeuge endlich Fuß zu fassen! Autos, die für jeden bezahlbar sind!!!???
Dark Erebos
09.01.2024 um 23:29
Was soll das für ein Artikel sein? Irgendwelche Angaben von Reichweiten, wäre nur interessant mit welcher Kapazität, denn es macht schon einen Unterschied ob der Akku 10Kwh oder 200Kwh hat. Hat vielleicht jemand vergessen die Energiedichte zu erwähnen?
Hans
10.01.2024 um 07:49
Ziemlich sinnfrei wenn der Artikel nicht mal die erreichte Energiedichte nennt und diese mit aktuellen Li-Ionen vergleicht. Den genau darum geht es ja bei diesen Batterien: Erhöhen der Energiedichte.Sie schrieben: "Ein Punkt, den das Forscher-Team physikalisch nicht beheben kann: Natriummetall ist rund drei Mal schwerer als Lithium. Das erhöht das Gewicht der Batterie und senkt damit die Reichweite. "Aber genau darum geht es doch beim erhöhen der Energiedichte, die musst man nämlich in kW/kg. Sollte eine Na-Batterie die gleiche Energiedichte erreichen wäre sie auch Behausung schwer. Ich glaube Sie haben gar nicht wirklich verstanden worum es hier geht, oder?
Alexander
10.01.2024 um 09:26
Interessant wäre eine tatsächliche Angabe zur Energiedichte (gravimetrisch und volumetrisch). CATL lag meine ich bei etwa 160 Wh/kg. Diese km bzw Meilenangaben sind nichts aussagend.
Daniel
10.01.2024 um 17:20
Würde man endlich mal erkennen das 140 PS wegen meiner mit Allrad das Maximum sein dürften , dann wären wir auch mit kleineren Akkus zufrieden . 400 Ps in einem Elektoauto sind einfach nur dumm und sinnfrei .
Alexander
11.01.2024 um 10:48
Naja, vor allem bei E-Fahrzeugen ist die Leistung nicht so verbrauchsbestimmend wie beim Verbrenner. Ein Model S Plaid mit über 1000 PS hat bei normaler Fahrweise einen recht humanen Verbrauch der sogar geringer ist als bei manch einem anderem E-Auto mit einem Bruchteil der Leistung. Das es keiner braucht ist ein anderes Thema.
Stefan
11.01.2024 um 05:29
Unter Ps kann ich mir nichts vorstellen. (Diese Einheit ist seit 40 Jahren nicht mehr gültig.) Wieviel kW sind das?Vielleicht sollten wir das Ps zusammen mit den Verbrennern auslaufen lassen. Schließlich speichert der Akku ja auch keine Pferdestärken- Stunden.Was die maximale Leistung angeht, gebe ich Ihnen Recht. Mehr als 100 kW sind eigentlich nicht notwendig. Für 100 km/h in der Ebene benötigt man kaum mehr als 20 kW. Da ist auch zum Überholen noch genügend Reserve vorhanden. Bei 50 km/h reichen 5-7 kW völlig aus. Wenn ein Fahrzeug auf einen Verbrauch von 15 kWh/100 km kommt, bedeutet das ja auch, dass 15 kW die durchschnittlich abgerufene Motorleistung ist. Leider zeigt die momentane Motorleistung in kW kaum ein Instrument an, es wäre sinnvoll. Dann würde man auch sehen, dass die aufgedrehte Heizung 4-6 kW verbraucht, die Sitzheizung jedoch nur 0,2 kW.Diese übertriebenen Leistungen erhöhen außerdem den Reifenverschleiß enorm. Das ist nicht nur ein Kostenfaktor, sondern auch ein Umweltproblem. Ich fahre jetzt 10 Jahre elektrisch. Mehr als 30 kW benötige ich nur selten.
Örne
11.01.2024 um 06:18
Der FIat 500E hat eine Anzeige die die Leistung für Antrieb und Klimatisierung (Heizung) getrennt darstellt und recht gut wieder gibt. Meiner hat leider keine Sitzheizung, so daß ich das nicht ausprobieren kann was verbraucht wird.
R. Kraft
05.05.2024 um 15:03
"- bleibt aber nach wie vor etwas hinter der Lithium-Ionen-Technologie zurück." Da bin ich anderer Meinung. Über das ganze Jahr hinweg hat Natrium die Nase vorn. Bei niedrigen Temperaturen ist die Energiedichte bei Na konstant was bei Li nicht der Fall ist. Die ganzen Additiven Materialien welche bei Na fehlen gleichen die Massendefizite zu Li aus. Die geringere Energiedichte von Na wird im Jahresmittel augeglichen da diese nicht so schwanken wie bei Li. Das Vorkommen von Na ist vielfältiger als Li, ist billiger und kommt weltweit überall vor. Also ist Na die weitaus bessere Lösung als Li.

Schreiben Sie einen Kommentar

Ihre E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert