Die Batterie der Zukunft? Forschungen an Natrium-Ionen-Batterien schreiten voran

Die Zukunft der Energieversorgung soll nachhaltiger werden, und dafür sind Batterien essentiell. Lag der Bedarf an Energiespeichern im Jahr 2022 noch bei 700 Gigawattstunden, schätzt man ihn bis 2030 auf 4.700 Gigawattstunden. Um diesen Entwicklungen zu begegnen, müssen mehr Batterien produziert werden – das wiederum erfordert große Mengen an Rohstoffen. Lithium-Ionen-Batterien bildeten bislang den Standard, vor allem in der Elektromobilität, da sie die höchstmögliche Energiedichte pro Kilogramm besitzen. Die enthaltenen Rohstoffe sind allerdings kritisch und die Lithiumressourcen begrenzt. Die Forschung sucht also weltweit schon lange nach marktfähigen Alternativen.

Das größte Potential versprechen nach aktuellem Forschungsstand wohl Natrium-Ionen-Batterien. Das dafür verwendete Natrium wird aus Natriumchlorid gewonnen, ein ausreichend vorhandener Rohstoff. Durch den Verzicht auf seltene und bedenkliche Rohstoffe bei der Herstellung ist die Natrium-Ionen-Batterie demnach umweltfreundlicher als sein Pendant. Ein weiterer Vorteil ist, dass Natrium wesentlich kostengünstiger beschafft werden kann als Lithium. Doch Natrium-Ionen-Akkus haben auch Nachteile. Hier ist z.B. die geringe Energiedichte zu nennen, die zur Folge hat, dass sie erheblich mehr Volumen benötigen, um die gleiche Menge an Energie speichern zu können. Die Batterien sind also deutlich größer und schwerer, weshalb sie bislang eher stationär eingesetzt werden und für E-Autos nicht die ideale Lösung sind. An diversen Forschungseinrichtungen versucht man, sich diesen Herausforderungen zu stellen.

Forschungen am ZSW

Das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) ist eines der Institute, das hierzulande an alternativen Batterietechnologien forscht. Das Institut konzentriert sich mit dem Projekt „Vier-Volt-Natrium-Ionen-Batterie“ (4NiB) auf die nachhaltigere Entwicklung von marktfähigen Natrium-Ionen-Batterien. Am Projekt sind auch die Helmholtz Institute Ulm-Karlsruhe mit dem Institut für Technologie (HIU-KIT) und das Forschungszentrum Jülich GmbH mit dem Institut für Energie- und Klimaforschung beteiligt. Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines umweltfreundlichen Energiespeichers für den Stadtverkehr und für stationäre Anwendungen.

Schwerpunkt der Forschungen indes ist die Entwicklung und Abstimmung von Anoden, Kathoden und Elektrolyten, um daraus eine Hochleistungszelle mit einer spezifischen Energie von über 200 Wattstunden pro Kilogramm herzustellen. Gefördert wird das Projekt über drei Jahre mit rund 1,35 Millionen Euro vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF).

Verbundprojekt NaKlaR

Das 2023 gestartete und von der Uni Würzburg geleitete Verbundprojekt NaKlaR soll Natrium-Ionen-Batterien elektrochemisch leistungsfähiger machen und ihre Nachhaltigkeit verbessern. Die Recyclingfähigkeit der Komponenten spielt dabei eine zentrale Rolle. Bei der Herstellung von Batterie-Elektroden kommen normalerweise toxische organische Lösungsmittel zum Einsatz, um die Komponenten zu mischen und aufzutragen. Ziel ist es, die Lösungsmittel durch Wasser zu ersetzen – keine einfache Aufgabe, denn Wasserrückstände in den Elektroden können Probleme im Batteriesystem verursachen. Dies soll durch die Entwicklung von Hochleistungselektrolyten verhindert werden, die in solchen Fällen stabil bleiben.

Neben der Uni Würzburg sind an NaKlaR auch das Karlsruher Institut für Technologie (KIT), das Helmholtz-Institut Ulm und das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung (ISC) sowie das F&E Zentrum Elektromobilität Bayern beteiligt. Auch dieses Projekt wird vom BMBF über drei Jahre Laufzeit mit rund 2 Millionen Euro gefördert.

Forschungszentrum DESY

Die Schwachstellen von Natrium-Ionen-Batterien versucht auch das Deutsche Elektronen-Synchrotron (DESY) zu reduzieren, ein Forschungszentrum der Helmholtz-Gemeinschaft, wo nach Optimierungsmöglichkeiten der Batteriematerialien gesucht wird. Der Fokus hierbei liegt auf einer Verbesserung der Kathoden bzw. der Möglichkeit, das Kathodenmaterial mit Fremdelementen zu ergänzen. Für diese sogenannte Dotierung werden Scandium und Magnesium verwendet, um die Auswirkungen zu testen.

Quellen: zsw-bw.de, 30.01.2024
chemie.de, 02.04.2024
desy.de, 04.03.2024
uni-wuerzburg.de, 26.02.2024

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