Die Welt steht vor einem tiefgreifenden Wandel: Die Energiewende und die Elektrifizierung des Verkehrs erfordern neue, nachhaltige Energiespeicherlösungen. Lithiumionen-Batterien sind die derzeit vorherrschende Technologie, jedoch mit mehreren Nachteilen: Sie sind teuer, enthalten kritische Rohstoffe und sind nicht so sicher wie andere Batterie-Technologien.
Batterietechnologie
Infolgedessen arbeiten Forscher auf der ganzen Welt an alternativen Batterietechnologien. Eine der vielversprechendsten ist die Natriumionen-Batterie. Sie basiert auf dem Element Natrium, ein Bestandteil von Kochsalz. Es ist reichlich vorhanden und zu wettbewerbsfähigen Preisen erhältlich. Natriumionen-Batterien haben eine ähnliche Energiedichte wie Lithiumionen-Batterien, sind aber robuster, sicherer und verfügen über das Potential, sich schneller aufladen zu lassen.
Preiswert und reichlich vorhanden
Da Natrium das sechsthäufigste Element der Erdkruste ist, ist es wesentlich besser verfügbar als Lithium und hat aus geo-ökonomischer Sicht keinerlei Länder-Abhängigkeiten oder Lieferketten-Risiken. Daher ist es preiswert und macht es somit zu einem kostengünstigen Material für Batterien. [1][2][3]
Robustheit
Natriumionen-Batterien sind weniger anfällig für Schäden durch Hitze und Kälte als Lithiumionen-Batterien. Dadurch bieten sie eine langlebigere Option für Anwendungen in extremen Temperaturbereichen, wie z.B. Elektrofahrzeuge oder Netzspeichersysteme. [3]
Langsamere Bewegung von Natriumionen
Natriumionen sind 3x größer als Lithiumionen, und dieser Größenunterschied wirkt sich nicht nur auf das Gewicht der Batterie, sondern auch auf ihre Beweglichkeit innerhalb der Batterie aus. Lithiumionen sind in der Lage, sich schneller durch den Elektrolyten der Batterie zu bewegen, wodurch sie die Elektronen effizienter zwischen den Elektroden hin- und herbewegen können. Dieser schnellere Elektronentransfer führt auf den ersten Blick zu schnelleren Lade- und Entladezeiten.
Während die langsamere Bewegung der Natriumionen wie ein Nachteil erscheinen mag, hat sie auf den zweiten Blick einen positiven Einfluss auf die Ladegeschwindigkeit der Batterie. Wenn Lithiumionen schnell in die Elektroden ein- und ausströmen, bleiben sie manchmal in den porösen Strukturen der Elektroden stecken und bilden Ablagerungen, die sogenannten Dendriten. Diese Dendriten können wachsen und schließlich den Separator (eine Membran) durchbohren, was zu Kurzschlüssen (Explosions- bzw. Brandrisiko) und einem Ausfall der Batterie führen kann. Bei Natriumionen hingegen ist die Wahrscheinlichkeit, dass sie Dendriten bilden, aufgrund ihrer Größe geringer. Dieses geringere Risiko der Dendritenbildung ermöglicht ein schnelleres Aufladen, ohne die Sicherheit der Batterie zu kompromittieren. [2][4]
Forscher erreichten eine Energiedichte (Energie pro Volumen der Batterie) von bis zu 165Wh/kg für Natriumionen-Batterien[5], was bereits innerhalb des normalen Energiedichtebereichs von 150-260Wh/kg von Lithiumionen-Batterien liegt und somit die Nutzung von Elektrofahrzeugen in niedrigeren bis mittleren Reichweiten ermöglicht.
Abwägen zwischen Ionen-Mobilität und -Stabilität
Herausforderung für die Forscher von Natriumionen-Batterien ist und bleibt, ein Gleichgewicht zwischen der niedrigeren Beweglichkeit der Natriumionen und den verbundenen Sicherheitsvorteilen zu finden. Durch die Optimierung der Elektrodenmaterialien und Elektrolytzusammensetzungen arbeiten die Wissenschaftler daran, die Beweglichkeit der Natriumionen zu verbessern, ohne die Batterie-Stabilität und -Sicherheitseigenschaften zu beeinträchtigen. [6]
Quellen:
[1] https://www.powermotiontech.com/
[2] https://solartechadvisor.com/
[3] https://www.machinedesign.com/
[4] https://www.onecharge.biz/
[5] https://techxplore.com/news/2024-01-high-energy-sodium-ion-battery.html
[6] https://en.wikipedia.org/wiki/Sodium-ion_battery
