Natrium-Ionen-Akkus können noch mehr auf Lithium aufholen

Der größte Unterschied zum Lithium-Ionen-Akku ist die Kathode, wo beim Laden- und Entladen die chemischen Reaktionen zur Energiespeicherung und Rückgewinnung stattfinden. In der Kathode, der Elektrode mit dem Pluspol, befindet sich das Natrium. Es wird beim Laden durch die angelegte Spannung aus dem Material gelöst und in der Anode, beim Minuspol des Akkus, gespeichert.

Die Eigenschaften der Kathode bestimmen die maximal mögliche Energiedichte des Akkus. Sie besteht aus einem Schichtoxid, genau genommen aus Natrium-Nickel-Mangan-Titan-Magnesium-Oxid. Es hat mit 500 Wh/kg eine etwas niedrigere theoretische Energiedichte als kohlenstoffbeschichtetes Lithium-Eisenphosphat (LFP), aber eine höhere allgemeine Dichte, und ist dabei genauso temperaturstabil.

In der Kathode liefert das Schichtoxid dennoch eine deutlich bessere Leistung, weil es aus größeren Partikeln bestehen kann und eine insgesamt etwa doppelt so hohe Dichte hat. Eine Kathode aus LFP hat bei gleicher Kapazität mehr Volumen. Die Lücken zwischen den Partikeln müssen außerdem mit mehr Elektrolyt gefüllt werden, wodurch die Kathode insgesamt schwerer wird.

Natrium macht Akkus nicht viel schwerer als Lithium

Das teuerste Material in der Herstellung der Kathode ist Nickel. Dessen Anteil beträgt 18 Prozent oder 360 Gramm pro Kilowattstunde. Die Kosten des Nickels, rund 20 US-Dollar pro kg, werden bei den aktuellen Preisen durch das eingesparte Lithium aber fast genau aufgewogen - bei rund 700 Gramm Lithiumcarbonat pro Kilowattstunde (kWh), das für rund 14 US-Dollar pro kg gehandelt wird. Die restlichen Materialien der Kathode fallen bei den Kosten kaum ins Gewicht.

Durch den Verzicht auf Kupferfolien und billigere Elektrolyte könnten die Akkus trotz des Nickels im großen Maßstab billiger hergestellt werden als Lithium-Eisenphosphat-Akkus. Faradion schätzt den Kostenvorteil gegenüber LFP auf 30 Prozent. Die Praxis muss aber zeigen, wie groß er wirklich ist. Wegen der derzeit noch kleinen Produktionsmengen werden die Preise aber noch deutlich höher sein.

Für die vergleichsweise niedrige Energiedichte ist nicht allein das Natrium verantwortlich. Natrium-Atome sind zwar dreimal so schwer wie Lithium und liefern 0,3 Volt weniger Spannung, aber der Anteil von Lithium und Natrium ist in Akkus sehr klein. Eine Kilowattstunde benötigt nur etwa 100 bis 130 Gramm Lithium oder 400 bis 500 Gramm Natrium. Die Akkus wiegen aber insgesamt mehrere Kilogramm.

Der Entwicklungsrückstand ist das größte Problem

Der Einfluss des Natriums auf die Energiedichte ist also sehr begrenzt. Das Natrium selbst macht die Akkuzellen von Faradion etwa 5 Prozent schwerer als mit Lithium. Umgekehrt wird ähnlich viel Gewicht durch den Ersatz von Kupfer durch leichtere Aluminiumfolien einspart. Hingegen gehen grundsätzlich rund 10 Prozent der Energiedichte wegen der niedrigeren Zellspannung verloren.

Den größten Anteil an der vergleichsweise niedrigen Energiedichte der Natrium-Ionen-Akkus hat schlicht der Entwicklungsrückstand. Während Lithium-Ionen-Akkus seit 40 Jahren intensiv weiterentwickelt werden, wurde die Entwicklung mit Natrium erst vor rund zehn Jahren wieder aufgenommen. Die größte Hürde war zunächst die Lebensdauer der Akkus. Sie lag anfangs höchstens bei einigen hundert Ladezyklen. Inzwischen ist sie mit konventionellen Lithium-Ionen-Akkus vergleichbar und liegt über 1.000.

Bis solche Werte mit den Materialien im Akku erreicht werden konnten, war vor allem viel Entwicklung im Detail notwendig.