Billige Kathoden in Preußischblau

Die leistungsfähigsten Kathodenmaterialien sind derzeit geschichtete Metalloxide aus einer Eisen-Mangan-Mischung. Sie benötigen aber Beimischungen aus Nickel und teilweise auch Kupfer, um über viele Ladezyklen stabil zu bleiben. Ursprünglich bestanden die Kathoden nur aus Manganoxid, zersetzten sich aber zu schnell. Dieser Zersetzungsprozess wurde erst im vergangenen Jahr überhaupt verstanden: Er entsteht durch Verunreinigungen mit Wasserstoff. Es wird einige Zeit dauern, bis diese Erkenntnis zu Verbesserungen in der Technik führt.

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Derweil kann auch ganz auf seltene Rohstoffe verzichtet werden, wenn auch zu Lasten der Kapazität. Kathoden aus sogenannten Preußischblau-Analogen können in der Kathode verwendet werden, um Natrium aufzunehmen. Das sind Komplexverbindungen aus Hexacyanoferrat, Eisen, Stickstoff und Kohlenstoff, zu denen noch ein weiteres Metallatom hinzukommt. Das kann nochmals Eisen sein, aber mit dem vergleichsweise häufigen Mangan konnten leistungsfähige Akkus mit über 1.000 Ladezyklen gebaut werden. Die Kathoden erreichen damit nur noch rund 140 mAh/kg, etwa 20 Prozent weniger Ladung. Die Energiedichte liegt dann auf dem Niveau von Nickel-Metallhydrid-Akkus, aber ganz ohne die Verwendung von Nickel und seltenen Erden.

Wenn sich die aktuellen Laborergebnisse auch in der Praxis umsetzen lassen und sich Investoren für die Großproduktion finden, könnten sich Natrium-Ionen-Akkus in vielen Bereichen einsetzen lassen. Sie wären in Energiedichte, Zyklenfestigkeit und Leistung den Bleiakkus weit überlegen. Dank der reichlich vorhandenen Rohstoffe sollten sie sogar billiger in der Herstellung sein. Besonders in stationären Anwendungen, bei denen das Gewicht eine kleinere Rolle spielt, wären sie dann ein vollständiger Ersatz für Lithium-Ionen-Akkus.

Natrium-Ionen-Akkus brauchen von Anfang an Massenproduktion

Schnelle Fortschritte in der Forschung sind dabei Fluch und Segen zugleich. Niemand will Hunderte Millionen oder Milliarden Euro in Anlagen investieren, deren Technik schon veraltet ist, bevor die Produktion überhaupt begonnen hat. Außerdem muss die Produktion von Anfang an in großen Anlagen erfolgen, um niedrige Stückkosten zu erreichen. Dafür müssen Investoren aber sicher sein können, dass die Technik auch zuverlässig funktioniert und die Akkus deutlich billiger hergestellt werden können.

Obwohl die Technik funktioniert, wird wohl auch in den nächsten Jahren noch kein Natrium-Ionen-Akku im allgemeinen Verkauf sein. Denn das birgt ein viel größeres unternehmerisches Risiko als der Versuch, einen Akku auf den Markt zu bringen, der allen anderen Akkus technisch überlegen ist. Ein überlegener Akku kann in kleinen Stückzahlen zu hohen Preisen verkauft werden. Denn es gibt immer Anwendungen, in denen Akkus nur einen kleinen Teil der Kosten ausmachen und die höhere Leistung wichtig ist. Sobald der Produktionsprozess funktioniert, kann die Produktion ausgeweitet werden. Akkus, die nur über den Preis konkurrenzfähig sind, müssen dagegen sofort in Massenfertigung hergestellt werden, damit das Geschäftsmodell überhaupt funktionieren kann.

Klar ist aber: Es muss nach Alternativen zum Lithium-Ionen-Akku gesucht werden, denn die Rohstoffknappheit in der Produktion von Lithium-Ionen-Akkus ist keineswegs eingebildet. Selbst wenn genug Lithium und Nickel gefördert werden kann, sind die Stoffe so selten, dass der Prozess notwendigerweise mit großem Aufwand und Umweltschäden verbunden ist. Deshalb stehen die Chancen für den nötigen unternehmerischen Durchbruch in der Produktion von Natrium-Ionen-Akkus langfristig sehr gut. Lithium-Ionen-Akkus sind zwar die beste mögliche Akku-Technik, sie sind aber nicht die einzige. Für alle Anwendungen, die nicht unbedingt die beste Technik benötigen, gibt es Alternativen mit weniger seltenen Rohstoffen.

Für die Speicherung von sehr großen Energiemengen sind Akkus allerdings generell nicht geeignet. Um auch nur den deutschen Strombedarf von einer Woche zu speichern, sind 12.000 GWh Kapazität nötig, das 50-Fache der weltweiten Akku-Produktion pro Jahr. Dabei stellt Deutschland nur ein Prozent der Weltbevölkerung dar. Die Optionen dafür besprechen wir in Teil 2.

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 Natrium kann Lithium ersetzen
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wernerderchamp1 21. Jul 2020

Ist schon bekannt, wann der kommt? ist ja jetzt schon 5 Monate her

Aki-San 19. Feb 2020

Kann mich dem nur anschließen. Sehr angenehm zu lesender Artikel, wie zu erwarten gewesen...

MrAndersenson 19. Feb 2020

https://de.wikipedia.org/wiki/Metalle_der_Seltenen_Erden#Verwendung https://de.wikipedia...

Frank... 19. Feb 2020

In der Entwicklung ist es ziemlich egal, wie exotisch ein Material ist. Kein Labor dieser...

chefin 18. Feb 2020

Naja...Grundlegend transportieren Ionen den Strom, umgangssprachlich gesagt. Ionen sind...


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