Forscher: China hat Rennen um Natrium-Ionen-Batterien noch nicht gewonnen!
Immer mehr Elektroautos und immer mehr Hausstromspeicher für die eigene Solaranlage lassen den Bedarf an Lithium-Ionen-Batterien (LIB) weiter rasant steigen. Fraunhofer-Forscher prognostizieren, dass 2040 der jährliche Bedarf bereits auf 6.000 GWh ansteigen wird. Dass dies auch Unmengen an Fabriken, Energie und Rohstoffen bedarf, liegt auf der Hand. Und damit auch die verbundenen Belastungen für Mensch und Umwelt.
Auf dem Weg zur All Electric Society, in der CO2-neutral gewonnene Elektrizität die zentrale Energieform darstellt, sind alternative Batterietechnologien, die ohne Lithium auskommen, von überdringlicher Bedeutung. Als wohl aussichtsreichste Akkuoption gelten Natrium-Ionen-Batterien (NIB bzw. Sodium-Ion-Batteries, SIB). Bei diesen wird das seltene Lithium durch Natrium ersetzt, welches weltweit vielfach vorhanden ist.
Das große Manko: NIB-Zelle stellt weniger Energie zur Verfügung als eine LIB-Zelle
Natrium-Ionen-Batterie-Zellen zeichnen sich durch eine gute Ressourcenverfügbarkeit, Sicherheit und Tiefentladefähigkeit aus. Mit Blick auf die Materialien ist Natrium in Deutschland nahezu unbegrenzt und damit kostengünstig verfügbar, zum Beispiel in Form von Natriumchlorid, also Kochsalz oder Natriumcarbonat (Soda).
Die erhöhte Rohstoffverfügbarkeit von Natrium (im Vergleich zu Lithium) macht es so zu einem leicht zugänglichen und potentiell skalierbaren Ausgangsrohstoff für Energiespeichersysteme. Natrium verfügt allerdings nicht über eine so hohe Energiedichte wie Lithium. Das heißt die NIB-Zelle kann weniger Energie zur Verfügung stellen als eine vergleichbare Lithium-Ionen-Batterie-Zelle. Folglich wird derzeit vor allem daran geforscht die Energiedichte zu erhöhen.
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Aber kann es die Natrium-Ionen-Batterie wirklich schaffen, den Lithium-Ionen-Akku zu verdrängen?
Dieser Frage ging nun der neu veröffentlichte Umfeldbericht der Fraunhofer FFB nach. Der Umfeldbericht untersucht die technologischen Eigenschaften von Natrium-Ionen-Batterien sowie die Aktivitäten in Forschung und Industrie von der Materialherstellung bis zur Zellproduktion und der Entstehung von Anwendermärkten.
Im Einzelnen stellt sich ein im Vergleich zu LIB großer Spielraum möglicher Kathodenaktivmaterialien in den Klassen “Schichtoxide”, “polyanionische Materialien” und “Preußisch-Blau-Analoga« dar. Das eine Material, welches alle der erwünschten Eigenschaften auf sich vereinen könnte, existiert bislang jedoch nicht. Die genannten Herausforderungen bei den Materialien und die damit verbundenen offenen Technologieentscheidungen setzen sich auf die Zellebene fort.
Die im ganzheitlichen Blick der Studie identifizierten Forschungsfragen zeichnen aktuell eher das Bild mehrerer sich parallel entwickelnder Technologiestränge. Verschiedene neue und auch bereits aus der LIB-Produktion bekannte industrielle Akteure haben sich dennoch bereits auf eine Technologie festgelegt, stellen Prototypen her oder sind schon in die (Massen-) produktion von SIB eingestiegen.
Bis zum Jahr 2030 belaufen sich die global angekündigten Produktionskapazitäten für SIB-Zellen jedoch bereits auf 75 GWh. Diese hauptsächlich von Zellherstellern gemachten Angaben lassen auf eine schnelle Giga-Skalierung schließen. Damit diese erfolgreich ist, muss jedoch auch die vorgelagerte Lieferkette aufgebaut werden. Dies betrifft das Refinement von Natrium-Verbindungen bis zur batterietauglichen Qualität, aber auch in großem Maße die Skalierung der Aktivmaterialproduktion.
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Mittelfristig werden die NIB nicht an die Leistungsmerkmale der LIB heranreichen
Da Natrium-Ionen-Batterien wahrscheinlich auch mittelfristig nicht an die Leistungsmerkmale von LIB heranreichen werden, dürfte die Bewertung in den einzelnen Anwendungssegmenten höchst individuell ausfallen. Eine hohe Passfähigkeit der SIB wird für verschiedene stationäre Anwendungen, Motorräder und Roller sowie kleine Autos erwartet.
Inwiefern die Technologie im heute größten Marktsegment für Batterien, den großen Oberklassefahrzeugen und SUVs mit hoher Reichweite, eingesetzt werden kann, bleibt offen. Entsprechend ist die Bandbreite der in der Studie analysierten Marktprognosen für SIB sehr groß. Analysten gehen von einem Marktvolumen von unter 50 GWh bis hin zu 600 GWh in 2030 aus.
Wird Europa etwas vom Natrium-Ionen-Batterie-Kuchen abbekommen?
An der Giga-Skala des SIB-Marktes selbst scheint indes kaum Zweifel zu bestehen. Die in der Studie durchgeführte Analyse internationaler Forschungs- und Industrieaktivitäten wirft jedoch die Frage auf, in wie weit dieser Markt ein europäischer sein wird.
Der überwiegende Teil, ob nun ausgedrückt über Patentanmeldungen oder Industrieankündigungen, spielt sich in Asien und dort insbesondere in China ab. Dies ist gerade deswegen als kritisch zu bewerten, da China den globalen Markt auch in der heute kosteneffizientesten Batterietechnologie, den Lithium-Eisen-Phosphat Batterien, dominiert.
Setzt sich der aktuelle Trend bei Natrium-Ionen-Batterien weiter fort, so besteht die Gefahr, dass Europa auch bei dieser neuen und potenziell günstig und nachhaltig zu produzierenden Batterie in ein Abhängigkeitsverhältnis gerät. Entschieden ist das Rennen um die Natrium-Ionen-Batterien jedoch noch nicht. Gerade der in der Studie skizzierte große Parameterraum im Bereich der Material- und Zellentwicklung bietet nach wie vor eine hohe Chance zur eigenen Technologieentwicklung und schließlich auch Kommerzialisierung.
