Natrium-Ionen-Akku: Konkurrenz für Lithium-Ionen-Akkus und Hoffnung für die Zukunft

Bahnt sich in der Zukunft ein Konkurrenzkampf zwischen den Lithium-Ionen- und den Natrium-Ionen-Akkumulatoren an? Aktuell ist die Lithium-Akkutechnologie zweifelsohne die gefragteste!

In Smartphones, Laptops, Elektroautos, E-Zigaretten und vielen weiteren Geräten sind die für ihre hohe Lebensdauer und Energiedichte bekannten Lithium-Ionen-Zellen verbaut. Doch an den Natrium-Ionen-Akkus als preiswerter und langlebiger Alternative wird zunehmend geforscht - mit in letzter Zeit guten Nachrichten!

Entscheidende Fortschritte in der Entwicklung von Natrium-Ionen-Batterien

Zuletzt wurden mehrere Schwächen der Natium-Ionen-Akkumulatoren schrittweise beseitigt, wozu vor allem die geringe Energiedichte gehört. Mittlerweile ist der Einsatz von Natrium-Ionen-Akkumulatoren für PV (Photovoltaik) und in Autos absolut denkbar. 2024 sollen schon die ersten Elektroautos mit Natrium-Ionen-Akkutechnologie ausgeliefert werden.

Die flotte Weiterentwicklung sowie die Vorzüge der Narium-Ionen-Akkutechnologie haben uns von Akkuline als Batterie-Spezialist dazu inspiriert, der Natrium-Batterie näher auf den Zahn zu fühlen. Lassen Sie uns gemeinsam prüfen, wieso die Natrium-Ionen-Batterie der Lithium-Ionen-Technologie berechtigtermaßen Konkurrenz macht. Hier fallen insbesondere die folgenden fünf großen Vorteile ins Gewicht:

• Geringere Kosten in der Herstellung und daher auch im Verkauf
• Umweltfreundlicher als Lithium-Ionen-Batterien
• Größere Sicherheit bei der Verwendung und bei der Lagerung
• Überdurchschnittlich hohe Langlebigkeit
• Widerstandsfähigkeit gegen Temperaturschwankungen

Vorteil #1 Hersteller und Verbraucher profitieren von geringeren Kosten

Natrium-Ionen-Akkumulatoren haben es im Namen: Der in ihnen genutzte Rohstoff ist Natrium. Aufgrund der größeren globalen Verbreitung des Natriums im Vergleich zum Rohstoff Lithium ergeben sich enorme Kostenvorteile. Speziell in den letzten Jahren sind die Kosten für den Abbau des immer knapper werdenden Lithiums und ebenso die Kosten für die Herstellung der Lithium-Ionen-Batterien gestiegen.

Nun bereiten Natrium-Ionen-Batterien die berechtigte Hoffnung auf ein Ende der immer stärker aufwärts weisenden Preisspirale. Dadurch, dass der Rohstoff Natrium mengenmäßig wesentlich weiter verbreitet ist als Lithium, sinken die Kosten für den Abbau und den Bezug des Rohstoffs für die Hersteller. Die Hersteller geben den gesunkenen Natrium-Ionen-Akku Preise in Form eines geringen Kaufpreises für die Händler und Verbraucher weiter.

Vorteil #2 Die Natrium-Ionen-Batterie ist für die Umwelt weniger schädlich

Lithium wird in der Regel in empfindlichen Ökosystemen abgebaut. Schon allein das hat negative Auswirkungen auf die Umwelt. Zudem schaden die Bergbauaktivitäten der Umwelt. Ferner werden bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien oftmals Stoffe verwendet, die sich ebenfalls schädigend auf die Umwelt auswirken.

Aufgrund der großen Verfügbarkeit von Natrium erreicht die Natrium-Ionen-Akkutechnologie eine bessere Umweltbilanz. Zwar kommen auch bei der Entwicklung dieser Akkumulatoren Stoffe zum Einsatz, die die Umwelt schädigen, doch bereits der Verzicht auf knappe Rohstoffe trägt deutlich zu einer besseren Umweltbilanz bei.

Vorteil #3 Das Ladeverfahren und die Nutzung von Natrium-Ionen-Batterien verlaufen sicherer

Im Vergleich zu Lithium-Ionen-Akkumulatoren sind die Natrium-Ionen-Akkumulatoren wesentlich sicherer. Lithium ist ein äußerst reaktionsfreudiges Metall und zudem empfindlich bei Temperaturschwankungen. Schon allein die falsche Lagerung von Lithium-Ionen-Batterien bei beispielsweise deutlich höherer Temperatur als Zimmertemperatur kann zu einer Brandgefahr beitragen.

Beim Natrium-Ionen-Akkumulator ist die Brandgefahr denkbar gering, denn die verwendeten Materialien sind erstens weniger reaktionsfreudig und zweitens weniger temperaturempfindlich. Dennoch wird es auch bei Natrium-Ionen-Akkumulatoren, sobald diese auf den Markt kommen, auf ein Ladeverfahren mit dem richtigen Ladegerät und auf die Einhaltung der Lagerungshinweise zu achten sein, denn letztlich bestehen bei jeder Batterietechnologie Gefahren, solange man die spezifischen Anwendungshinweise und das vorgesehene Ladeverfahren nicht einhält.

Vorteil #4 Der Natrium-Ionen-Akku hat eine überdurchschnittlich hohe Lebensdauer

Die zu erwartende Lebensdauer von Natrium-Ionen-Akkumulatoren ist derzeit nicht bekannt, doch sie wird aufgrund der hohen Widerstandsfähigkeit des Natriums höher ausfallen als die ohnehin schon hohe Lebensdauer von Lithium-Ionen-Akkumulatoren. Bei Lithium-Ionen-Akkumulatoren wird bei einem angemessenen Umgang mit einer Lebensdauer von etwa 1.000 Ladezyklen gerechnet. Natrium-Ionen-Akkumulatoren sollen um die 5.000 Ladezyklen durchhalten. Einige Natrium-Ionen-Akku Hersteller stellen sogar eine Lebensdauer von bis zu 50.000 (!) Ladezyklen in Aussicht.

Ob 5.000 oder 50.000 Ladezyklen: Auch wenn der Unterschied zwischen beiden Zahlen groß ist, stellen schon die 5.000 Ladezyklen eine deutliche Optimierung im Vergleich zu Lithium-Ionen-Akkumulatoren dar. Die Tatsache, dass die hohe Lebensdauer gepaart ist mit einem günstigeren Herstellungs- und Kaufpreis, macht die Vorteile der Natrium-Ionen-Akkumulatoren umso größer.

Vorteil #5 Natrium-Ionen-Batterien sind bei Temperaturminima und -maxima widerstandsfähiger

Natrium-Ionen-Akkumulatoren erweisen sich sowohl bei tiefen als auch hohen Temperaturen als äußerst widerstandsfähig. Leider sind aufgrund der fehlenden Marktreife noch keine genauen Details zu Temperaturminima sowie -maxima bekannt, doch mit Sicherheit wird die Widerstandsfähigkeit gegen Temperaturschwankungen höher sein als bei den empfindlichen Lithium-Ionen-Batterien.

In einer sehr großen Temperaturspanne soll ein konstanter Zugriff auf die volle Kapazität des Natrium-Ionen-Akkumulators bestehen, während bei anderen Akkutechnologien mit schwankenden Temperaturen die Kapazität des Akkus schwindet. Die geringe Temperaturempfindlichkeit eröffnet neue Möglichkeiten für Schnellladeverfahren: Beispielsweise haben bereits einige Unternehmen Natrium-Ionen-Akkus in Aussicht gestellt, die binnen einer Viertelstunde von 0 auf 100 % aufladen.

Durch den Vorzug der Temperaturresistenz sinkt beim Natrium-Ionen außerdem die Brandgefahr, wie es schon im Abschnitt weiter oben über die sicherere Nutzung und das sichere Ladeverfahren beschrieben wurde.

Natrium-Ionen-Akku: Nachteile im Check

Der Natrium-Ionen-Akku hat Nachteile. Dabei ist die geringe Energiedichte der wohl ausschlaggebendste Nachteil. Die geringe Energiedichte hat zur Folge, dass innerhalb des Gewichts der Batterie nur relativ wenig Energie gespeichert werden kann. Hier ein Vergleich der üblichen Energiedichten einiger Akkutypen:

• Natrium-Ionen-Akkumulator: 160 Wh/kg
• Lithium-Ionen-Akkumulator: 260 Wh/kg
• Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator: 210 Wh/kg
• Nickel-Metallhydrid-Akkumulator: 80 Wh/kg
• Nickel-Cadmum-Akkumulator: 100 Wh/kg

Aufgrund der stetigen Forschung und Weiterentwicklung zahlreicher Akkutechnologien gibt es reichlich Akkumulatoren, bei denen höhere Energiedichten erreicht werden. Der Großteil dieser Akkumulatoren ist jedoch noch nicht marktreif, sodass die in der Tabelle aufgeführten Angaben die regulären Speichermengen an Energie bei den aktuell marktreifen Akkumulatoren abbilden.

Die Tatsache, dass sich mithilfe der Natrium-Ionen-Technologie wenig Energie speichern lässt, hat zur Folge, dass wenn man die gleiche Kapazität wie bei einem Lithium-Ionen-Akku erreichen will, eine größere Batterie mit einem höheren Gewicht entwickeln muss. Die Wissenschaftler und Batteriehersteller arbeiten zwar an Lösungen für dieses Problem, doch fürs Erste bleiben die geringe Energiedichte sowie das hohe Eigengewicht, zwei eng miteinander verbundene und wesentliche Nachteile der Natrium-Ionen-Technologie.

Weitere Nachteile der Natrium-Ionen-Batterien sind für Verbraucher weniger relevant und betreffen hauptsächlich die Natrium-Ionen-Akku Hersteller. So müssen beispielsweise für die Herstellung dieses Batterietypen neue Maschinen und Infrastrukturen erworben bzw. errichtet werden, was mit hohen Anschaffungskosten einhergeht. Aufgrund der geringen Bekanntheit von Batterien mit Natriumionen ist zudem nicht zu erwarten, dass es zu einer schnellen Amortisation der Anschaffungskosten kommt, was aus Sicht jedes Herstellers ein triftiges Kontra-Argument gegen die Aufnahme der Produktion von Natrium-Ionen-Akkumulatoren ist.

Die drei Nachteile aus der Perspektive der Batteriehersteller - hohe Anschaffungskosten, hoher organisatorischer Anschaffungsaufwand und voraussichtlich lange Amortisationsdauer - führen dazu, dass in den nächsten Jahren von einer eher langsamen Verbreitung der Natrium-Batterien auszugehen ist.

Wesentliche Einsatzbereiche: Natrium-Ionen-Akku für PV und Fahrzeuge

Die zu erwartende langsame Verbreitung des Akkutypen führt dazu, dass dieser in den möglichen Einsatzbereichen in den nächsten Jahren nur schleppend Anwendung finden dürfte. Dies ist insofern als schade zu bewerten, als dass der Natrium-Ionen-Akkumulator in der Energiewende einen entscheidenden Beitrag liefern kann. Hierzu folgende Informationen:

• Aufgrund der geringen Energiedichte und des dadurch hohen Gewichts ist die Natriumionen-Technik hauptsächlich eine Option für die stationäre Nutzung.
• Alternativ könnte die Natriumionen-Technik in größeren Geräten Anwendung finden. Beispiele für solche Geräte sind Fahrzeuge, wozu Kleinwagen und größere E-Autos gehören.
• In der stationären Nutzung käme der Natrium-Ionen-Akku für PV-Anlagen infrage, während er in Fahrzeugen vor allem die E-Mobilität fördern könnte. Beides sind für die Energiewende wichtige Aspekte, die von einer umweltfreundlichen Akkutechnologie wie bei den Lithium-Ionen-Akkumulatoren profitieren würden.

Beispiel #1 Die Natrium-Ionen-Batterie in Verbrennern und E-Autos

Das Unternehmen Sehol, ein Joint-Venture eines chinesischen sowie eines deutschen Auto-Anbieters, hat in Zusammenarbeit mit dem Natrium-Ionen-Akku Hersteller Hina laut eines Artikels im Online-Magazin SPIEGEL einen Kleinwagen vorgestellt, der mit einer Natrium-Batterie ausgestattet ist. Ob dieses E-Auto aus China mit einem Natrium-Ionen-Akku der Energiedichte 120 Wh/kg auf den Markt kommt, sei laut SPIEGEL jedoch unklar.

Wie an diesem Beispiel zu sehen ist, haben die Produzenten aus China im Auto einen Natrium-Ionen-Akku mit einer geringeren Energiedichte als den üblichen 160 Wh/kg verbaut. Dies haben sie getan, damit die Batterie kein zu hohes Eigengewicht hat und dadurch die Leistung des Autos nicht beeinträchtigt wird.

Als Ausgleich für die geringe Akku-Kapazität werben die Produzenten aus China mit dem schnellen Ladeverfahren, das einer der typischen Vorteile von Natrium-Ionen-Batterien ist. So sei es laut Angabe der Produzenten möglich, den Kleinwagen in 15 Minuten aufzuladen. Zudem wird damit Werbung gemacht, dass selbst bei äußerst tiefen Temperaturen von -20 °C noch 80 % der Energie vom Natrium-Ionen-Akku im Auto zur Verfügung stünden.

Beispiel #2 Die Natrium-Ionen-Batterie als Speicher für Photovoltaik-Anlagen

Wesentlich vielversprechender als der Einsatz in Elektroautos ist die Verwendung der Natrium-Batterie als PV-Speicher. Obwohl die Photovoltaik-Branche in den letzten Jahren zahlreiche Fortschritte in der Erforschung verschiedener Technologien für die Solarzellen gemacht hat und sich auch die Qualität anderer Solaranlagen-Komponenten erhöht hat, sind die Energiespeicher für PV-Anlagen noch äußerst unterentwickelt. Die Anlagenbetreiber haben hauptsächlich die Wahl zwischen den Lithium-Eisenphosphat-Akkumulatoren und den Blei-Akkumulatoren.

Für die Anwendung bei mobilen PV-Anlagen mögen diese Speicher wohl angemessen sein, doch die stationären PV-Anlagen benötigen weitere, vor allem günstigere und temperaturresistentere Alternativen. Eine dieser Alternativen könnte der Natrium-Ionen-Akku sein. In der stationären Anwendung würde der Nachteil der geringen Energiedichte und des hohen Eigengewichts weniger schwer wiegen als in Fahrzeugen wie beispielsweise einem Elektroauto.

Stattdessen würden Anwender einen PV-Speicher erhalten, der endlich die zwei größten Nachteile der bisherigen PV-Speicher ausmerzt: die hohen Kosten und die geringe Lebensdauer. Beides sind Nachteile, die dafür sorgen, dass aktuelle PV-Speicher die Rentabilität von PV-Anlagen schmälern und dafür sorgen, dass sich der Kauf einer PV-Anlage mit Speicher unter finanziellen Gesichtspunkten nicht lohnt.

Anders verhält es sich mit der Natrium-Batterie: Diese Batterietechnologie stellt einen PV-Speicher in Aussicht, der zwar viel Platz erfordert, aber sich durch die geringen Kosten und die lange Lebensdauer amortisiert und einen höheren Eigenverbrauch des in der Solaranlage erzeugten Stroms ermöglicht. So würde sich die Investition in einen PV-Speicher für private Solaranlagenbetreiber erstmals finanziell rentieren.

FAQ zu Natrium-Ionen-Akkus

Sie möchten mehr über den Markteintritt und die Technik hinter den Natrium-Ionen-Akkumulatoren erfahren? Dann werden die folgenden Fragen und Antworten sicherlich aufschlussreich für Sie sein!

Wann kommen Natrium-Akkus?

Laut dem Batterie-Experten Prof. Max Fichtner ist ab den Jahren 2024 und 2025 mit einem vermehrten Einsatz von Natrium-Akkus in Autos zu rechnen. Eventuell kommt im Jahr 2023 bereits das ein oder andere E-Auto mit einer Natrium-Batterie auf den Markt, doch davon ist nicht auszugehen.

Wer heute einen Natrium-Ionen-Akku kaufen möchte, findet vom Unternehmen Pylontech einen PV-Speicher. Das Unternehmen aus China wurde vom TÜV Rheinland mit einem Zertifikat ausgezeichnet, das belegt, dass der Natrium-Ionen-Akku als PV-Speicher potenziell geeignet ist. Ob als Ergänzung oder als Ersatz für andere PV-Speichersysteme: Wer bei Pylontech einen Natrium-Ionen-Akku kaufen möchte, muss sich derzeit auf lange Wartezeiten einstellen.

Wer stellt Natrium-Akkus her?

Akkuhersteller, die einen Natrium-Ionen-Akku selber bauen, sind unter anderem die chinesischen Marken HiNa und Pylontech. Weitere bekannte Natrium-Ionen-Akku Hersteller sind CATL und Tiamat Energy. Im Elektroauto wollen die Marken SEHOL, ein Joint-Venture aus China, und BYD den Natrium-Akku verbauen und sind daher ebenfalls als Hersteller zu benennen.

Wie funktionieren Natrium-Ionen-Akkus?

Natriumionen kommen zur Speicherung elektrischer Energie zum Einsatz. Die Ionen lagern sich in den Elektroden einer Batterie ein - je nach Ladungszustand in der negativen oder positiven Elektrode oder in beiden Elektroden. Zur Leitung der Ionen und somit zum Stromfluss ist in der Natrium-Batterie ein Elektrolyt verbaut. Es wird zwischen wässrigen - also flüssigen - und organischen - also festen - Elektrolyten unterschieden. Dabei haben die festen Elektrolyten den Vorzug einer größeren Energiedichte, weswegen sie wie geschaffen für den Einbau ins E-Auto sind.