Natrium kann Lithium ersetzen

Natrium ist in praktisch unbegrenzten Mengen verfügbar. Allein in Deutschland sind mehrere Hundert Millionen Tonnen Natrium in Form von Salzhalden aus dem Kalibergbau verfügbar. Es gibt auch noch andere mögliche Rohstoffe für die Akku-Produktion, die ähnlich häufig sind, wie Magnesium, Kalium, Kalzium oder Aluminium. Natrium ist Lithium aber am ähnlichsten, so dass ein großer Teil der für Lithium-Ionen-Akkus entwickelten Technik und Forschung mit einigen Änderungen auch für Natrium-Ionen-Akkus verwendet werden kann.

Anfangs wurden Lithium- und Natrium-Ionen-Akkus parallel entwickelt. Die Forschung konzentrierte sich jedoch auf Lithium-Ionen-Akkus, nachdem geeignete Materialien für Kathoden und Anoden gefunden waren. Wegen der Rohstoffknappheit wächst das Interesse an Natrium-Ionen-Akkus allerdings seit Jahren stark an.

Der große Nachteil von Natrium ist das Gewicht der Natrium-Atome. Sie sind etwa dreimal so schwer wie Lithium-Atome. Ein etwas geringeres elektrochemisches Potenzial senkt zudem noch die Spannung um 0,3 Volt, wodurch die theoretische maximale Kapazität von Natrium-Ionen-Akkus bei etwas weniger als einem Drittel eines Lithium-Ionen-Akkus liegt. Allerdings nur, wenn der Akku aus nichts anderem als Natrium oder Lithium besteht. Denn tatsächlich stellt das aktive Material nur einen kleinen Teil des Gesamtgewichts des Akkus dar, so dass der Unterschied in der Praxis kleiner ausfällt.

Die britische Firma Faradion stellt zu Demonstrationszwecken Natrium-Ionen-Akkus in Kleinserie her und ist gerade auf der Suche nach Investoren. Faradion verspricht 30 Prozent Kostenersparnis in der Massenproduktion. Die Akkus von Faradion haben eine Energiedichte von 140 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg), aber nur eine Lebensdauer von wenigen Hundert vollen Ladezyklen, vergleichbar mit Lithium-Ionen-Akkus vor 20 Jahren.

Es gab große Fortschritte seit 2018

Diese Technik ist schon einige Jahre alt, in den vergangenen zwei Jahren wurden aber große Fortschritte gemacht. Inzwischen demonstrierten Forscher in mehreren Veröffentlichungen, dass bei ähnlicher Kapazität weit über 1.000 Ladezyklen möglich sind - wobei die Wissenschaftler von über 200 Wh/kg schreiben, dabei aber das Gewicht von Gehäuse, Elektroden und Elektrolyt unterschlagen haben, um höhere Zahlen nennen zu können.

Der Grund für die Fortschritte war die Entwicklung einer stabileren Anode für Natrium-Ionen-Akkus. Die Natrium-Ionen sind etwas größer als Lithium-Ionen, so dass sie nicht einfach in den gleichen Graphit-Anoden zwischen den Kohlenstoff-Schichten gespeichert werden können. Der Platz ist dafür etwas zu eng. Auf der Suche nach geeigneten Materialien landeten die Forscher letztlich doch wieder beim Kohlenstoff, allerdings in Form von verkohlter Biomasse, in diesem Fall Pappelholz. Die Mikrostruktur ist offensichtlich geeignet, um nach einer chemischen Behandlung Natrium-Ionen aufzunehmen und wieder abzugeben. Mit rund 300 Milliamperestunden pro Gramm (mAh/g) ist deren Kapazität auch fast auf dem Niveau von Graphit in Lithium-Ionen-Akkus.

Wie genau die Natrium-Ionen chemisch in dem verkohlten Pappelholz eingelagert werden, bleibt unklar. Es gibt aber eine große Zahl von wissenschaftlichen Publikationen, in denen unterschiedliche Ausgangsstoffe untersucht wurden, wie verschiedene Nussschalen, Maiskolben, Zucker, Pektin, Pech, Kohle und viele andere. Das Resultat sind funktionierende Anoden, die eine große Zahl von Ladezyklen ermöglichen.

Damit wird in den nächsten Jahren die Optimierung der Kathoden in den Vordergrund rücken. Die besten davon haben nämlich nur eine Kapazität von rund 170 mAh/g, was die maximal mögliche Energiedichte stark begrenzt. Wenn darin auf seltene Rohstoffe ganz verzichtet werden soll, sind die Zahlen noch schlechter, aber immerhin ist es möglich.