Energiespeicher: Natrium-Ionen-Batterien als umweltfreundliche Alternative

Batterien, Energiespeicher, Energiewende — Batterien sind ein wichtiger Baustein der Energiewende. (Foto: Roberto Sorin on Unsplash)

Batterien sind ein Schlüsselelement zur Speicherung von regenerativ erzeugtem Strom und Elektromobilität. In einem Forschungsprojekt des ZSW werden umweltfreundliche Energiespeicher für den Stadtverkehr und stationäre Anwendungen entwickelt.

09.02.2024 – Die Nachfrage nach Energiespeichern wächst weltweit. Lithium-Ionen-Batterien werden sie aufgrund des Einsatzes kritischer Rohstoffe nur bedingt decken, sagen Branchenexperten. Die Suche nach alternativen Batterietechnologien läuft daher auf Hochtouren: Ein vielversprechendes Projekt mit dem Namen „Vier-Volt-Natrium-Ionen-Batterie“ (4NiB) soll hier Fortschritte erzielen, berichtet das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW).

In dem Vorhaben entwickeln die ZSW-Forschenden mit drei renommierten Partnern Natrium-Ionen-Batterien, die nicht nur leistungsstark und kosteneffizient sind, sondern auch eine umweltfreundliche Alternative darstellen. Vorgesehen ist, dass auch Bioabfälle eingesetzt werden. Die Batterien sollen auf Elektrofahrzeuge im Stadtverkehr und stationäre Batteriespeicher zugeschnitten sein.

Neben dem ZSW in Ulm gehören zu den Projektpartnern des 4NIB-Konsortiums die Helmholtz Institute Ulm-Karlsruhe mit dem Institut für Technologie (HIU-KIT) sowie das Forschungszentrum Jülich GmbH mit dem Institut für Energie- und Klimaforschung. Weiterer Partner ist die Albert Ludwigs Universität Freiburg mit dem Freiburger Materialforschungszentrum (FMF).

4.700 Gigawattstunden bis 2030

In den Zukunftsszenarien für eine nachhaltige Energieversorgung sind Batterien ein Schlüsselelement und unverzichtbar, insbesondere zur Speicherung von regenerativ erzeugtem Strom und für die Elektromobilität. Der prognostizierte Anstieg des Bedarfs an Energiespeichern von 700 Gigawattstunden (Stand 2022) auf 4.700 Gigawattstunden bis zum Jahr 2030 erfordere nicht nur die Produktion der Batterien, sondern auch die Bereitstellung der hierfür notwendigen erheblichen Mengen an Rohstoffen, erläutern die Forschenden.

Natrium statt Lithium – umweltfreundlicher und kostengünstiger

Eine derzeit junge, aber stark aufstrebende Technologie sind Natrium-Ionen-Batterien, berichtet das ZSW. Bei ihnen übernimmt Natrium die Aufgabe von Lithium. Natrium sei in großen Mengen vorhanden und kostengünstig, da es beispielsweise aus Natriumchlorid (Meersalz) gewonnen werden kann.

Die weiteren Schlüsselmaterialien der Natriumionen-Batterien enthalten weder Kobalt, noch Nickel oder Lithium und können somit ohne kritische Rohstoffe hergestellt werden. Durch den Verzicht auf teure Kupferfolien in der Batterie und Ersatz des heute in Lithium-Ionen-Batterien verwendeten Graphits durch alternative Kohlenstoffverbindungen, die aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen werden können, lassen sich zudem nicht nur Kosten reduzieren, sondern auch die Nachhaltigkeit weiter verbessern.

Technologie in China schon auf dem Markt

In China werden solche Natriumionenbatterien bereits kommerzialisiert, berichtet das ZSW, Europa müsse daher so schnell wie möglich nachziehen. Bis zum wirklichen Massenprodukt werden jedoch noch einige Jahre vergehen, so das Forscherteam, denn es müsse noch viel an diesem neuen Batterietyp optimiert werden.

Revolutionäre Anodentechnologie: Hartkarbon ersetzt GrafitIm

Im Fokus des Vier-Volt-Natrium-Ionen-Batterie-Projekts steht die Entwicklung und optimale Abstimmung von Anoden, Kathoden und Elektrolyten, um eine leistungsstarke, kostengünstige und umweltfreundliche Natrium-Ionen-Batterie zu realisieren, erläutern die Forscher. Das Hauptziel des Projekts bestehe darin, eine Hochleistungszelle im sog. Pouch-Format zu präsentieren, die eine spezifische Energie von über 200 Wattstunden pro Kilogramm erreicht.

Kathodenseitig steht laut ZSW die Entwicklung von Hochvoltkathoden mit vier Volt im Fokus. Hierbei liege der Schwerpunkt auf der Entwicklung sicherer, hochspannungsstabiler Mischphosphate aus Polyanionen. Mithilfe von Simulationen ermitteln die Forscher die optimale Zusammensetzung der eingesetzten Übergangsmetalle, um die gespeicherte Energie zu maximieren. Die Anode wird auf der Basis von Hartkohle aus Bioabfall hergestellt, wobei Vorprodukte genutzt werden, die in Deutschland reichlich vorhanden wären.

Der Elektrolyt wird laut Forscherteam 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.