Natrium-Ionen-Akkus: Ausnahmsweise ein echter Durchbruch in der Akkutechnik

Rohstoffknappheit war das größte Hindernis der Energiewende im Straßenverkehr. Natrium-Ionen-Akkus könnten es beseitigen und - sie funktionieren!

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Eine Übersicht zur Forschung an Natrium-Ionen-Akkus aus dem Jahr 2017.
Eine Übersicht zur Forschung an Natrium-Ionen-Akkus aus dem Jahr 2017. (Bild: Jang-Yeon Hwang, Seung-Taek Myung, Yang-Kook Sun/CC-BY 3.0)

Durchbrüche in der Technik sind selten, aber gerade in der Akkutechnik wurden sie immer wieder angekündigt. Diesmal ist es ernst. Natrium-Ionen-Akkus haben den Sprung vom theoretischen Konzept zur praxistauglichen Technologie geschafft. Ihre Produktion wird nicht durch knappe Ressourcen begrenzt. Es klingt fast zu schön, um wahr zu sein. Die Produktion der Kathoden benötigt keine seltenen Lithiumsalze, stattdessen genügt einfaches Speisesalz. Brauchbare Anoden können aus Braunkohle, Holz und anderer Biomasse hergestellt werden. Es wird kein Kobalt benötigt und keine vergleichbar seltenen oder teuren Rohstoffe.

Inhalt:
  1. Natrium-Ionen-Akkus: Ausnahmsweise ein echter Durchbruch in der Akkutechnik
  2. Akkus: Braunkohle könnte die billigsten Anoden liefern
  3. Das Ende der Rohstoffknappheit bei Akkus steht bevor

Ihre Energiedichte entspricht aktuell der von Lithium-Ionen-Akkus aus dem Jahr 2000 und die Entwicklung ist noch nicht zu Ende. Es gab nicht den einen Forscher, der den Durchbruch schaffte, aber der Durchbruch ist da. Inzwischen liegen wissenschaftliche Veröffentlichungen mit vielen unterschiedlichen Prototypen dieser Technologie aus der ganzen Welt vor.

Prototypen überstehen mehr als 500 Ladezyklen

Obwohl Lithium und Natrium chemisch sehr ähnlich sind, waren Natrium-Ionen-Akkus lange wenig mehr als ein Konzept. Die Forschung konzentrierte sich seit den 1980er Jahren auf das leistungsfähigere Lithium. Erst 2012 tauchten wieder vermehrt Paper aus der angewandten Forschung mit möglichen Konzepten für brauchbare Natriumkathoden und -anoden auf. Ihre Leistung überzeugte niemanden.

Als Golem.de 2017 einen Artikel dazu veröffentlichte, schien ein praktischer Akku noch in weiter Ferne zu liegen. 50 bis 80 Ladezyklen galten damals schon als gute Leistung. Aber gerade zu dieser Zeit wurden einige der größten Probleme überwunden und 2020 ist es offensichtlich: Die Technik funktioniert.

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Ein koreanischer Natrium-Ionen-Akku schaffte laut einer Veröffentlichung vom Mai 2020 etwa 500 vollständige Ladezyklen, bevor seine Kapazität auf 80 Prozent sank. Ein Natrium-Ionen-Akku einer US-amerikanisch-chinesischen Forschungsgruppe, mit einem anderen chemischen Aufbau, schaffte bei ähnlicher Ladekapazität 450 Ladezyklen.

In der Praxis wären es wohl mehr Ladezyklen, denn das vollständige Be- und Entladen des Akkus ist eine stärkere Belastung als das nur teilweise Be- und Entladen im Alltag. Eine chinesische Gruppe demonstrierte im vergangenen Jahr bereits einen anderen Akku mit etwas geringerer Kapazität, der nach 1.200 Zyklen mit 12 Minuten Schnellladung noch 70 Prozent der Kapazität behielt.

Unter diesen drei Konzepten - es gibt noch viele mehr - hat der koreanische Akku die höchste Kapazität. Er nutzt keine knappen Rohstoffe. Die Kathoden sind kobaltfrei und verwenden als Metalle nur Natrium, Mangan und Eisen, zusammen mit 10 Prozent Nickel. Außerdem ist Natrium mit Aluminium als elektrischem Anschluss kompatibel und ersetzt das bei Lithiumakkus notwendige Kupfer. Es gibt auch Akkus mit Kathoden aus Preußisch Blau, in denen als Metalle nur Natrium und Eisen vorkommen, wenn auch mit weniger Kapazität.

Das koreanische Akkukonzept sollte in seiner Form zu einem Gewicht von etwa 6,5 kg pro Kilowattstunde führen, wenn das Material in herkömmlichen 18650-Zellen verbaut wird. Das Ende der Entwicklung ist damit aber noch nicht erreicht. Aktuelle Lithium-Ionen-Akkus kommen auf knapp 4 kg/kWh. Exemplare mit 2,5 kg/kWh existieren, überstehen aber nur etwa 200 Ladezyklen. Einen großen Teil dieses Rückstandes sollten Natrium-Ionen-Akkus mit mehr Entwicklung noch wettmachen können. Natrium-Ionen-Akkus mit weniger als 5 kg/kWh gelten als absolut möglich.

Im Vergleich zu Akkus mit Lithium verlieren Akkus mit Natrium unvermeidlich etwa 10 Prozent Energiedichte durch die 0,3 Volt niedrigere Zellspannung. Noch etwas mehr Energiedichte verlieren sie dadurch, dass Natrium dreimal so schwer ist wie Lithium. Allerdings macht Lithium in aktuellen Akkus nur 3-4 Prozent des Gesamtgewichts aus. Die kleinen Unterschiede im chemischen Verhalten machen es allerdings nötig, dass die Materialien für Natrium völlig neu entwickelt werden müssen. Dort haben Lithium-Ionen-Akkus einen Vorsprung von 20 Jahren intensiver Entwicklung. Allerdings stehen für Natrium mehr mögliche chemische Verbindungen zur Verfügung, wodurch sich auch knappe Ressourcen leichter vermeiden lassen.

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Akkus: Braunkohle könnte die billigsten Anoden liefern 
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Clown 17. Jul 2020

Scherzkeks! :D Es war ja gerade die Frage, _wie_ ÖPNV günstiger oder gar kostenfrei...

adjust-IT 04. Jul 2020

"Personen..." - IMHO klingt das eigenartig, speziell wenn man in Zukunft häufiger mit...

jsonn 23. Jun 2020

In den meisten Fällen werden im Laufe der Zeit Anode und Kathode porös und das Elektrolyt...

jsonn 23. Jun 2020

Oft genug landen die Ergebnisse der Forschung halt auch einfach in der Serienproduktion...

sunrunner 23. Jun 2020

Dem stimme ich voll zu. Ja, Benziner Brennen öfter (liegt statistisch wohl auch daran...



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