Akkutechnik und E-Mobilität: Natrium-Ionen-Akkus werden echte Lithium-Alternative

Faradion und der Tesla-Zulieferer CATL produzieren erste Natrium-Ionen-Akkus mit der Energiedichte von LFP. Sie sind kälteresistenter, sicherer und lithiumfrei.

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Die ersten Natrium-Ionen-Akkus gehen noch 2021 in Produktion.
Die ersten Natrium-Ionen-Akkus gehen noch 2021 in Produktion. (Bild: Faradion)

Natrium-Ionen-Akkus galten wegen ihrer recht niedrigen Energiedichte lange Zeit als ungeeignet für wichtige Anwendungen wie Elektromobilität. Das hat sich nun geändert, gleich zwei Firmen haben den Produktionsstart erster kommerzieller Zellen angekündigt: die britische Firma Faradion, in Partnerschaft mit dem größten britischen Akkuhersteller AMTE, und die chinesische Firma CATL, Tesla-Zulieferer und der größte Akkuhersteller der Welt.

Durch die ständige Verbesserung der Energiedichte von Natrium-Ionen-Akkus könnten sie neben den gängigen Lithium-Akkus zu einer echten Alternative für die Elektromobilität werden. Die Akkuzellen mit der Technologie von Faradion gehen nach zehn Jahren Entwicklungszeit in Großbritannien in die Vorserienproduktion. Sie kommen ohne Lithium, Kobalt und Kupfer aus. Die Zellen haben eine Kapazität von 10 bis 30 Amperestunden (Ah) und können eine Energiedichte von 150 bis 160 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg) erreichen, bei einer Ladezeit von rund 15 Minuten.

Faradions Akkuzellen haben damit rund 90 Prozent der Energiedichte von Lithium-Eisenphosphat-Akkus (LFP). Dabei sind sie weniger kälteempfindlich und zudem noch weniger hitzeempfindlich und feuergefährlich als die auch schon als besonders robust geltenden LFP-Akkus. Natrium-Ionen-Akkus können zur Lagerung und zum Transport auch problemlos vollständig entladen werden. Anders als Lithum-Ionen-Akkus sind sie deshalb kein Gefahrgut. Mit größeren Zellformaten mit 100 Ah, wie sie in LFP-Akkus oft verwendet werden, kann die Energiedichte noch weiter gesteigert werden. Sie benötigen weniger Verpackungsmaterial, aber auch der Überstand an den Folienrändern und das Auffüllen von Hohlräumen mit Elektrolyt vor dem Verschweißen fallen wortwörtlich weniger ins Gewicht.

Die Lebensdauer der Natrium-Ionen-Akkus ist mit 1.000 vollen Ladezyklen vergleichbar mit Nickel-basierten Lithium-Ionen-Akkus, aber niedriger als mit LFP. Wenn sie nur zu 80 Prozent geladen werden, können sie bis zu 3.000 Ladezyklen überstehen.

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Zu den Natrium-Ionen-Akkus von CATL sind keine so detaillierten Informationen verfügbar wie zu denen von Faradion. Faradion beschreibt die Technologie in Patenten und wissenschaftlichen Veröffentlichungen ausführlich, COO Ruth Sayers war für Rückfragen offen.

In der wissenschaftlichen Literatur stammen allerdings die meisten Paper zu Natrium-Ionen-Akkus aus China oder von chinesischen Forschern im Ausland. Es kann also keinesfalls davon ausgegangen werden, dass die Zellen von CATL signifikant schlechter wären, eher vom Gegenteil. Ausgehend von der Entwicklung der letzten Jahre dürfte der Abstand von Natrium-Ionen-Akkus zur Energiedichte der besten Lithium-Ionen-Akkus in den nächsten Jahren auch noch deutlich kleiner werden.

Natrium-Ionen-Akkus lösen das Lithium-Problem

Der chinesische Akkuhersteller und Tesla-Zulieferer CATL hatte die neue Technologie auf einer Aktionärsversammlung im Mai 2021 angekündigt, Produktionsstart ist demnach im Juli 2021. Der Grund sei, dass man sich unabhängiger von ausländischen Zulieferern von Lithium machen wolle.

Die Ankündigung von CATL und die relative hohe Energiedichte der Zellen von Faradion widersprechen der häufigen Annahme, dass Natrium-Ionen-Akkus nur für stationäre Anwendungen geeignet sind. Vielmehr ist die Speicherfähigkeit vergleichbar mit den LFP-Akkus in Teslas Model 3. Mit ihnen können also auch hochwertige Elektroautos mit relevanter Reichweite gebaut werden.

Das könnte in einigen Jahren auch tatsächlich notwendig sein. Nicht umsonst hat die Europäische Kommission am 3. September 2020 Lithium zur strategischen Ressource erklärt, um die Versorgung zu sichern.

Autohersteller akzeptieren inzwischen niedrigere Energiedichte

Lange Zeit waren für westliche Autohersteller nur Akkus mit der höchstmöglichen Energiedichte für maximale Reichweiten und bestmögliche Leistung akzeptabel. Bis Tesla die LFP-Technik im Model 3 nutzte, galt ihre niedrige Energiedichte als inakzeptabler Nachteil. Nach der Ankündigung von Tesla zogen nun aber auch Ford und VW nach. Ford nennt die Akkus allerdings "IonBoost Pro". Die Akzeptanz von Akkus mit geringerer Energiedichte ebnet nun rechtzeitig auch den Weg für die Akzeptanz von Natrium-Ionen-Akkus.

Denn Lithium wird langsam knapp. Der Lithium-Preis hat sich seit Ende 2020 bereits verdoppelt, weil immer mehr Autohersteller E-Autos entwickeln und den Bau großer Akkufabriken ankündigen. Pläne für neue Fabriken lassen sich jedoch viel schneller erstellen und umsetzen als neue Lithium-Bergwerke, zumal die niedrigen Lithium-Preise von 2019 und 2020 die Investoren abgeschreckt haben. Immer mehr Marktbeobachter erwarten deshalb, dass die Nachfrage nach Lithium bis 2025 das Angebot übersteigen wird. Dann könnten auch feste Lieferzusagen nicht mehr eingehalten werden.

Elektromobilität: Theorie und Praxis zur Ladeinfrastruktur (de-Fachwissen)

Lithium ist damit der Flaschenhals in der Akkuproduktion und verhindert jede weitere Beschleunigung der Umstellung auf Elektrofahrzeuge. Die Situation ist wesentlich ernster als bei der letzten Knappheit von 2016. Die endete, als schon zuvor geplante Lithium-Bergwerke in Australien in Betrieb gingen und seitdem die Hälfte der weltweiten Produktion ausmachen.

Die Technologie nimmt die letzten Schritte vor der Massenproduktion

Die Produktionsmenge ist zunächst noch beschränkt. Die Faradion-Akkus werden in Lizenz von AMTE hergestellt. Dabei kommt aber nur die Kathode, aber nicht die Anode, von Faradion zum Einsatz. Deshalb liegt deren Energiedichte nur bei 130 bis 140 Wh/kg und die Ladezeit ist länger. Es sollen rund 50 MWh pro Jahr produziert werden. Sie werden ab 2022 unter dem Markennamen Ultra Safe verkauft werden.

CATL nannte keine Details zum Umfang der Produktion, sie wird aber in deren neuem 21C Lab geschehen, wohl in ähnlichem Umfang.

Die Produktion im Maßstab von mehreren Megawattstunden pro Jahr ist der letzte Schritt vor der Massenproduktion im Bereich von Gigawattstunden, die auch niedrigere Kosten ermöglichen wird. Die Technik ist damit sehr viel näher am praktischen Einsatz als etwa die Prototypen der Festkörperakkus von Quantumscape oder von Solid Power. Die Technologie von Faradion steht an diesem Punkt etwa zwei Jahre vor der Produktion in großem Maßstab.

Dennoch gelang es Firmen wie Solid Power und Quantumscape, Investoren wie VW, Ford und BMW mit teilweise nur briefmarkengroßen Prototypen zu überzeugen. Selbst davon verheimlicht Quantumscape viele technische Details vor der Öffentlichkeit und den Anlegern - ganz im Gegensatz zu Faradion, das gegenüber Golem.de mit technischen Details sehr freigiebig war.

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So funktionieren die Akkus von Faradion 
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desaboya 26. Jun 2021 / Themenstart

Manchen Leuten ist die eigene Zeit nichts wert und realisieren nicht, wieviel sie davon...

derdiedas 25. Jun 2021 / Themenstart

Leseskill=Null Ein Defender = 4 Autos, da ist der Akku nur eine Teilmenge der CO2 Bilanz.

Bibi Blockwart 22. Jun 2021 / Themenstart

Da spielen mutmasslich auch Pfadabhängigkeiten eine Rolle, wobei sich dann nicht...

Copper 22. Jun 2021 / Themenstart

Sind sie heute im Prinzip schon. Denn Bleiakkus sind letztlich nur eins: vergleichsweise...

Emulex 22. Jun 2021 / Themenstart

Naja, wie wäre z.B. die Reaktion der Öffentlichkeit, wenn irgendwann rauskommt: Alle...

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