Dieses reichlich vorhandene Material könnte günstigere Batterien für Elektrofahrzeuge ermöglichen

May 24, 2023

Natriumbasierte Batterien könnten noch in diesem Jahr auf den Markt kommen, wenn die Unternehmen ihre Pläne umsetzen.

Gehen Sie rüber, Lithium – es gibt eine neue Batteriechemie in der Stadt.

Lithium ist derzeit der Herrscher der Batteriewelt, ein wichtiger Bestandteil der Batterien, die Telefone und Elektrofahrzeuge antreiben und sogar Energie im Stromnetz speichern.

Da jedoch die Bedenken hinsichtlich der Batterielieferkette zunehmen, suchen Wissenschaftler nach Möglichkeiten, den Einsatz der teuersten und am wenigsten verfügbaren Inhaltsstoffe der Batterietechnologie zu reduzieren. Es gibt bereits Optionen, die den Bedarf an einigen Stoffen wie Kobalt und Nickel reduzieren, doch für diejenigen, die Lithium ablösen wollen, gibt es kaum Möglichkeiten.

In den letzten Monaten haben jedoch Batterieunternehmen und Autohersteller in China Vorstöße in eine neue Art von Batteriechemie angekündigt, die Lithium durch Natrium ersetzt. Diese neuen Natrium-Ionen-Batterien könnten dazu beitragen, die Kosten sowohl für stationäre Speicher als auch für Elektrofahrzeuge zu senken, wenn die Technologie die hohen Erwartungen der Unternehmen erfüllen kann.

Im März veröffentlichte JAC Motors, ein in China ansässiger Autohersteller, Fotos eines Chartreuse-Autos, das angeblich das weltweit erste Fahrzeug war, das mit Natrium-Ionen-Batterien gebaut wurde. Das Kompaktfahrzeug war mit einer 25-Kilowattstunden-Batterie eines anderen chinesischen Unternehmens, HiNa Battery, ausgestattet und eine Pressemitteilung gab an, dass die Reichweite des Wagens bis zu 250 Kilometer (155 Meilen) betragen solle. Im April gab Chinas größter Batteriehersteller für Elektrofahrzeuge, CATL, bekannt, dass er eine Natrium-Ionen-Batterie entwickelt hat, die er in ein Fahrzeug des Autoherstellers Chery einbauen will. Keines der vier Unternehmen antwortete auf eine Bitte um Stellungnahme.

„Sie machen diese recht interessanten Ankündigungen. Es fehlen auch viele Details“, sagt Andy Leach, Energiespeicheranalyst bei BNEF. Weder CATL noch HiNa haben Produktionszeitpläne oder detaillierte Leistungskennzahlen für die Batterien veröffentlicht oder auch nur verraten, welche spezifischen Arten von Natrium-Ionen-Batterien sie verwenden wollen. Für diese großen Unternehmen ist das Rätsel nicht überraschend, sagt Leach: „Sie neigen dazu, ihre Karten geheim zu halten.“ Es bleibt jedoch die Frage, wie bereit Natrium-Ionen-Batterien für echte Fahrzeuge sein könnten.

Batterien auf Natriumbasis sind nichts Neues, aber aufgrund technischer Mängel konnten sie bisher nicht mit Lithium mithalten. Natriumionenbatterien nutzen sich traditionell schnell ab und haben immer noch eine geringere Energiedichte als Lithiumionenbatterien, sagt Shirley Meng, Batterieforscherin an der University of Chicago und am Argonne National Laboratory.

Eine geplante Fabrik markiert in den USA einen wichtigen Meilenstein für neue Batterien, die kostengünstigere und langlebigere Elektrofahrzeuge ermöglichen.

Das heißt, um die gleiche Energiemenge zu speichern, muss eine Natriumbatterie größer und schwerer sein als die entsprechende Lithiumbatterie. Für Elektrofahrzeuge bedeutet das eine geringere Reichweite bei gleicher Batteriegröße.

Unter bestimmten Umständen könnte eine schwerere, günstigere Batterie vorzuziehen sein, beispielsweise für die in China üblichen kleineren Elektrofahrzeuge mit geringerer Reichweite. Die von JAC angekündigte Reichweite ist vergleichbar mit der des Wuling Hongguang Mini, einem der beliebtesten Elektrofahrzeuge Chinas, dessen Langstreckenversion mit einer einzigen Ladung bis zu 280 km (175 Meilen) weit fahren kann.

Ein etwas einfacherer Markt für Natrium-Ionen-Batterien könnten stationäre Speicheranlagen sein, etwa solche, die zur Notstromversorgung eines Hauses oder Unternehmens oder im Stromnetz eingesetzt werden. Einige Unternehmen, wie das in den USA ansässige Unternehmen Natron, entwickeln die Chemie speziell für stationäre Anwendungen, bei denen Größe und Gewicht nicht so wichtig sind wie in einem fahrenden Auto.

Natriumionenbatterien werden seit über einem halben Jahrhundert entwickelt und ihre Leistung hat sich kontinuierlich verbessert, mit besonders starken Zuwächsen im letzten Jahrzehnt, sagt Meng. Batterieforscher haben frühere Probleme mit der Lebensdauer geklärt, unter anderem durch die Suche nach verträglicheren Elektrolyten (die Flüssigkeit, die dabei hilft, die Ladung in einer Batterie zu transportieren) für die in Natriumionenzellen verwendeten Elektrodenmaterialien. Forscher haben außerdem bessere Elektrodenmaterialien entwickelt, um die Energiedichte der Batterien zu erhöhen.

Doch der wahre Grund für den plötzlichen Anstieg der Beliebtheit von Natrium-Ionen liegt darin, dass Lithium-Minen und -Verarbeitungsanlagen unter Druck stehen, die rasant steigende Nachfrage nach Batterien für Elektrofahrzeuge zu decken.

Der Welt werden nicht so schnell die Materialien ausgehen, die für Elektrofahrzeuge oder die Infrastruktur für erneuerbare Energien benötigt werden. Geschätzte Reserven deuten darauf hin, dass die Erdkruste ausreichend Lithium für Milliarden von Elektrofahrzeugen enthält. Doch es erweist sich als Herausforderung, die Infrastruktur hinzuzufügen, um Lithium und andere Materialien aus dem Boden zu holen und für die Verwendung in Batterien zu verarbeiten. In den meisten Teilen der Welt kann es fast ein Jahrzehnt dauern, bis eine neue Mine gebaut wird.

Elektrofahrzeuge gibt es schon seit Jahrzehnten. Jetzt sind sie endlich zum Mainstream geworden.

Die Nachfrage nach Lithium ist aufgrund des gestiegenen Interesses an Elektrofahrzeugen, die im Jahr 2022 etwa 13 % des weltweiten Fahrzeugabsatzes ausmachten, sprunghaft angestiegen. Die höhere Nachfrage hat die Preise in die Höhe schnellen lassen: Der Preis für Lithiumcarbonat, ein Material, das in Batterien verwendet wird, hat sich zwischen November 2021 etwa verdreifacht und November 2022, bevor es endlich wieder zu sinken beginnt.

Die Volatilität der Lithiumpreise und die stetig steigende Nachfrage hätten die Tür für andere Chemikalien geöffnet, sagt Meng und fügt hinzu: „Ich denke, dass Natrium eine gute Alternative ist, um diesen Druck zu lindern.“ Im Gegensatz zu Lithium kann Natrium aus einem reichlich vorhandenen Stoff hergestellt werden: Salz. Da die Rohstoffe billig und weit verbreitet sind, besteht das Potenzial, dass Natrium-Ionen-Batterien deutlich günstiger sind als ihre Lithium-Ionen-Pendants, wenn mehr Unternehmen damit beginnen, mehr davon herzustellen.

Aber wenn die Marktbedingungen die Tür für Lithium-Alternativen geöffnet haben, könnten sie sie genauso gut zuschlagen. Das Schicksal von Natrium-Ionen-Batterien wird wahrscheinlich „direkt mit den Kosten von Lithium verknüpft sein“, sagt Jay Whitacre, Batterieforscher an der Carnegie Mellon University und früherer Gründer eines Natrium-Ionen-Batterieunternehmens namens Aquion.

Wenn Natrium-Ionen-Batterien aufgrund von Kosten und Materialverfügbarkeit auf den Markt kommen, könnten sinkende Lithiumpreise sie in eine schwierige Lage bringen. Es sei schwierig genug, neue Batterien herzustellen und in großem Maßstab zu bauen, sagt Whitacre. Noch schwieriger ist es, ein bewegliches Ziel zu verfolgen, nämlich immer bessere Lithium-Ionen-Batterien, die immer billiger werden.

Natrium könnte in China bereits Ende dieses Jahres in Elektrofahrzeugbatterien landen, aber die Technologie wird Lithium wahrscheinlich nicht verdrängen. Vielmehr wird sich die Welt der Batterien wahrscheinlich weiter verzweigen und diversifizieren, wobei Unternehmen mehr Batterieoptionen für unterschiedliche Situationen entwickeln werden. Es gibt „Ecken und Winkel“ auf dem Batteriemarkt, wie Whitacre es ausdrückt, und bald könnte Natrium-Ionen endlich seinen Platz finden.

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Helion, unterstützt von Sam Altman von OpenAI, hat Microsoft bereits als ersten Kunden ausgewählt.

Billigere Batterien könnten in Sicht sein.

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