Akkutechnik: Was können Natrium-Ionen-Akkus?

Ständige Meldungen über angebliche Wunderakkus stimmen skeptisch. Wir erklären, was Natrium-Ionen-Akkus in Elektroautos tatsächlich bringen - und was nicht.

Eine Analyse von Frank Wunderlich-Pfeiffer veröffentlicht am 6. August 2021, 12:01 Uhr

CATL will Natrium-Ionen-Akkus zusammen mit Lithium-Ionen-Akkus in Elektroautos bringen. (Bild: CATL / Screenshot: Golem.de)

In wenigen Jahren sollen Natrium-Ionen-Akkus von CATL in Massenproduktion hergestellt und in Elektroautos eingesetzt werden - diese Meldung hat in unserer Leserschaft einige überrascht. Einerseits, weil Elektroautos seit langem fast ausschließlich von Lithium-Ionen-Akkus angetrieben werden. Andererseits, weil die vielen Ankündigungen von angeblichen Durchbrüchen in der Akkutechnologie, über die auch Golem.de berichtet, skeptisch gemacht haben.

Die Meldung wirft viele Fragen auf: Funktionieren die Akkus mit Natrium wirklich? Kann es sein, dass eine neue Technologie von Anfang an hohe Leistung und hohe Stabilität bietet und noch dazu bei tiefen Temperaturen funktioniert? Sind das nur Laborakkus oder ist die Massenproduktion realistisch? Können die größeren Natrium-Ionen-Akkuzellen in heutigen Elektroautos verwendet werden? Lohnt sich das für die Hersteller?

Die kurze Antwort lautet: ja. Von der Energiedichte abgesehen, sind die vorgestellten Akkuzellen der herkömmlichen Technik mit Lithium in allen Eigenschaften überlegen, die für Elektromobilität wichtig sind. Und eine Alternative zu Lithium wäre sehr hilfreich. Nicht umsonst hat die EU-Kommission Lithium zur strategischen Ressource erklärt. Das Metall wird absehbar so knapp, dass Autohersteller wie General Motors, BMW und Tesla bereits anfangen, direkt in Lithium-Bergbau zu investieren.

Dass die Natrium-Ionen-Akkutechnik so optimistisch stimmt, liegt vor allem an einem: Sie ist gar nicht so neu.

Vor 25 Jahren wären es Wunderakkus gewesen

Schon 2012 demonstrierten das Forscherteam Yuhao Lu, Long Wang, Jinguang Cheng und Nobelpreisträger John B. Goodenough, dass ein Natrium-Ionen-Akku mit Preußisch Blau als Kathode funktionieren würde. Dabei benutzten sie die gleiche Art von Elektrolyten, mit denen auch Lithium-Ionen-Akkus arbeiten. Von 2013 bis 2016 wurde die Technik weiter verbessert und zu vollständigen Akkus weiterentwickelt. Dazu gehörte auch die Herstellung in industrieähnlichen Prozessen.

Die Akkus zeigten schon 2016 sehr hohe Leistung, kurze Ladezeiten und gute Zyklenstabilität, zumindest ab dem zweiten Ladezyklus. Im ersten Ladezyklus lieferte die Kathode mit 152 mAh/g fast so viel Kapazität wie von CATL genannt. Aber von den 152 mAh/g blieben nach dem ersten Ladezyklus nur 120 mAh/g übrig, weil zu viel Natrium in der Anode hängenblieb. Diese hatte mit 270 mAh/g auch weniger Kapazität als die 350 mAh/g der Anode von CATL, in der wohl auch kein Natrium mehr hängenbleibt, wenn sie zuvor teilweise mit Natrium beladen wird.

Mit einer Energiedichte von 130 Wh/kg und einer Lebensdauer von Tausenden Ladezyklen wären die Natrium-Ionen-Akkus echte Wunderakkus gewesen, als General Motors im Jahr 1996 das Elektroauto EV-1 mit Bleiakkus (35 Wh/kg) und 100 km Reichweite präsentierte. Nach der staatlich finanzierten Entwicklung der Akkus gingen die Rechte an der Technik an die Firma Novasis über. Die Akkus sollten in den USA als stationäre Speicher vermarktet werden. Die Firma scheiterte an fehlender Nachfrage.

Natrium taugt für mehr als stationäre Speicher

Dabei wäre die Technologie schon 2016 deutlich günstiger als alle Lithium-Ionen-Akkus gewesen, falls die Akkus in den gleichen Mengen hergestellt worden wären. Ihre Energiedichte war höher als die aller Alternativen zu Lithium-Ionen-Akkus. Aber Novasis Energies Inc existiert nicht mehr.

CATL konnte die Energiedichte auf 160 Wh/kg steigern, vor allem durch vermiedene Natriumverluste in der Anode beim ersten Ladezyklus. Dazu kommen die 30 Prozent höhere Kapazität des Anodenmaterials, 5 Prozent mehr im Kathodenmaterial und weniger Materialverschwendung durch größere Zellen. Die Akkus von CATL sind das Resultat jahrelanger internationaler Forschungsarbeit. Als größter Akkuhersteller der Welt ist es für CATL sicherlich eine leichtere Aufgabe, Kunden für das Resultat dieser Arbeit zu finden.

Dabei zeigt schon der Vergleich mit den Bleiakkus des EV-1, dass die Technik schon immer für viel mehr als nur stationäre Speicher geeignet war.