Die Zukunft der Energiespeicher: Natrium-Ionen-Akkus als Alternative zu Lithium.

Die Forschung an Batterien, insbesondere im Bereich der Elektromobilität und stationärer Speicher, schreitet massiv voran. Zentrales Thema dieser Entwicklung ist die Diversifizierung der Zellchemien, da es nicht die eine Batterie für alles gibt; jede Technologie weist Vor- und Nachteile auf. Ein viel diskutierter Ansatz zur Bewältigung von Rohstoffengpässen und zur Senkung der Kosten ist die Entwicklung von Natrium-Ionen-Akkus.

1. Lithium-Ionen-Akkus: Status quo und Herausforderungen.

Lithium-Ionen-Akkus gelten elektrochemisch als State of the Art. Sie bieten eine gute Energiedichte, Lebensdauer und Sicherheit. Es existieren verschiedene Li-Ion-Chemien:

NMC (Nickel Mangan Kobalt): 

Wird hauptsächlich in Premium-Elektroautos verwendet, da sie hohe Leistung und Reichweite bieten. Diese Akkus sind jedoch teurer, da Nickel und Kobalt kostspielige Rohstoffe sind.

LFP (Lithium-Eisenphosphat): 

Gilt als der Low-Cost-Markt. LFP-Zellen basieren auf Eisen, welches deutlich günstiger und weiter verfügbar ist. Sie werden in stationären Speichern und zunehmend in günstigeren Einstiegs-Elektroautos eingesetzt. LFP-Zellen sind seit über 10 Jahren auf dem Markt und massiv optimiert worden, was zu einer hohen Zyklenfestigkeit (2.000 bis 6.000 Zyklen) geführt hat. 

LFP ist momentan die Messlatte im Massenmarkt.

Obwohl der Name Lithium-Ionen-Batterie suggeriert, dass Lithium den Hauptbestandteil bildet, liegt der Anteil an Lithium in einem Akku nur bei etwa 2 % der Masse. Lithium ist nicht per se selten, aber die wirtschaftlich abbaubaren Vorkommen sind begrenzt, hauptsächlich im Lithium-Dreieck in Südamerika und im Bergbau in Australien. Der Abbau ist oft aufwendig, wasserintensiv und greift in die Natur ein. 

Die Lithiumpreise erlebten Ende 2021 einen massiven Preisanstieg aufgrund des Hypes um E-Autos und Akkuspeicher sowie Lieferengpässen. Dies führte zu massiven Investitionen und Überkapazitäten, wodurch die Preise für Lithiumcarbonat und Li-Ion-Batterien zuletzt auf ein Allzeittief fielen. Die aktuell niedrigen Preise stellen jedoch ein Problem dar, da sie Investoren davon abhalten, in neue Minen zu investieren, was zukünftige Preisschocks verursachen könnte, wenn der Bedarf für Akkus (Heimspeicher, E-Autos) in der Zukunft steigt.

2. Natrium-Ionen-Akkus: Die neue Technologie.

Natrium-Ionen-Akkus (Na-Ion) sollen eine Alternative zu Lithium bieten, indem sie auf den Rohstoff Natrium setzen, der tausendmal häufiger in der Erdkruste vorkommt. Natrium basiert auf gewöhnlichem Kochsalz, was potenziell niedrigere Kosten und eine Reduzierung der Abhängigkeit von kritischen Rohstoffen ermöglicht.

Technische Merkmale und Leistung.

Natrium-Ionen-Akkus konkurrieren primär mit LFP-Zellen im Low-Cost-Markt:

• Rohstoffkosten und Preis: Langfristig wird Natrium deutlich günstiger sein als Lithium. Kurzfristig sind Na-Ion-Akkus jedoch noch teurer (etwa das 1,5- bis 2-fache des Preises von LFP-Zellen). Dies liegt daran, dass Lieferketten und Skaleneffekte noch fehlen; die Produktionsvolumina sind im Vergleich zu LFP-Zellen, die in hunderttausender Mengen hergestellt werden, sehr gering. Es wird erwartet, dass die Herstellungskosten bis 2027 in China auf das typische LFP-Niveau von 0,04 $/Wh sinken werden.
• Spezifische Energie (Energie pro Gewicht): Die spezifische Energie war nie das Hauptproblem von Na-Ion-Akkus. CATL's neue Generation "NAXTRA" soll 175 Wh/kg erreichen, was dem Niveau der neuesten LFP-Akkus entspricht. Unabhängige Testdaten zeigen, dass Na-Ion-Zellen heute mit 150 Wh/kg dort stehen, wo LFP-Zellen vor einigen Jahren waren.
• Energiedichte (Energie pro Volumen): Hier haben Natrium-Akkus heute noch einen klaren Nachteil, da sie weniger dicht sind.
• Zyklenlebensdauer: Die Behauptung, Na-Ion-Akkus hielten 10.000 Zyklen, ist oft ein Mythos. Aktuell sind wettbewerbsfähige Na-Ion-Zellen in Bezug auf die Optimierung noch lange nicht auf dem Niveau der seit 1997/98 entwickelten LFP-Zellen.

Besondere Vorteile von Natrium-Ionen-Akkus.

Natrium-Ionen-Akkus bieten spezifische technische Vorteile gegenüber Li-Ion-Zellen:

1. Tieftemperaturfähigkeit: 

Natrium-Akkus weisen potenziell eine bessere Leistung bei Kälte auf. Dies liegt daran, dass die Natrium-Ionen grösser, aber mobiler sind (schlechter festgehalten werden können) und im Elektrolyten Lösungsmittel mit einem sehr niedrigen Gefrierpunkt (z.B. Propylencarbonat) verwendet werden können. Propylencarbonat kann in herkömmlichen Li-Ion-Akkus nicht eingesetzt werden, da es die Graphit-Anoden angreifen würde. CATL gibt einen breiten Betriebstemperaturbereich von -40 °C bis 70 °C an.

2. Tiefenentladung und Transportsicherheit: 

Na-Ion-Akkus können potenziell komplett tiefenentladen werden, ohne Schaden zu nehmen oder ein Sicherheitsrisiko darzustellen. Im entladenen Zustand (0 % Ladung) sind sie zu 100 % sicher und können ohne Risiko transportiert werden, was riesige logistische Vorteile (z. B. im Flugzeugtransport) mit sich bringt. Dies ist möglich, da Natrium-Ionen-Zellen an der negativen Elektrode Aluminium-Stromableiter verwenden, die sich bei Tiefentladung nicht auflösen – im Gegensatz zu Kupfer in Li-Ion-Zellen.

3. Sicherheit (generell): 

Natrium ist weniger chemisch reaktiv als Lithium. Spezifische Materialklassen bei Na-Ion, wie Polyionen oder die bei Litona entwickelten Preussischweissanaloga, können besonders sicher sein. Die Preussischweissanaloga enthalten keinen Sauerstoff in der Verbindung, was die Gefahr reduziert, dass ein Brand intern aufrechterhalten wird.

Verschiedene Na-Ion-Chemien.

Ähnlich wie bei Li-Ion-Zellen (LFP, NMC, LCO) gibt es auch bei Na-Ion-Batterien unterschiedliche Materialklassen, die sich in ihren Eigenschaften unterscheiden:

• Schichtoxide (ähnlich NMC).
• Polyionen (ähnlich LFP), die sehr sicher sind.
• Preussischweissanaloga: An dieser Klasse arbeitet das deutsche Startup Litona. Diese bieten ein Spannungsprofil ähnlich LFP und sind sehr sicher (kein Sauerstoff in der Verbindung).

3. Industrielle Dynamik und Strategische Bedeutung.

Die Ankündigungen grosser Hersteller, insbesondere des chinesischen Giganten CATL, treiben den Natrium-Hype voran.

CATL und die "NAXTRA"-Batterie: 

CATL, der weltweit grösste Akkuhersteller, stellte die zweite Generation seiner Na-Ion-Batterie ("NAXTRA") vor, die massenproduktionstauglich sein soll. Ihre Ankündigungen im Jahr 2021, die Massenproduktion stünde kurz bevor, hatten damals einen grossen Einfluss und bewirkten, dass die Batterie-Industrie die Natrium-Technik ernster nahm. CATL gilt jedoch auch als "Ankündigungsweltmeister", dessen Versprechen nicht immer sofort marktrelevant sind. CATL geht davon aus, dass Na-Ion-Batterien künftig in 40 % aller chinesischen Elektrofahrzeuge verbaut werden. 

Die Massenproduktion soll 2026 beginnen.

Anwendungsfälle: Na-Ion-Akkus könnten kurz- bis mittelfristig in folgenden Bereichen eingesetzt werden:

• Low-Voltage-Systeme: Als Ersatz für Blei-Säure-Starterbatterien (z. B. in Schwerlasttransportern), wo die Tieftemperaturfähigkeit ein entscheidender Vorteil ist und die Energiedichte pro Volumen weniger wichtig ist. Dies könnte der erste Durchbruchmarkt sein.
• Nischenanwendungen: In Bereichen, wo schnelle Auf- und Entladung notwendig sind (hohe Leistungsdichte), wie etwa Backup-Speicher für Serverräume (z. B. Natron Energy in den USA).
• Massenmarkt: Langfristig in E-Bikes, stationären Energiespeichern (für Solar- und Windkraftanlagen) sowie in günstigen E-Autos, wo sie LFP direkt Konkurrenz machen.

Strategische Notwendigkeit der Diversifikation.

Experten betonen die Notwendigkeit, langfristig und strategisch zu denken, anstatt kurzfristigem Hype zu folgen. Geopolitische Unsicherheiten und mögliche Rohstoffschocks (z. B. Exportlimitierungen durch China, wie bei Grafit oder LFP) machen die Diversifikation der Rohstoffe und Zulieferer unerlässlich.

• Deutsche Industrie: Im Westen reagieren viele Akku-Experten oft falsch und laufen den Pressemitteilungen aus China hinterher. Es besteht die dringende Notwendigkeit, eigene Batterie-Produktionskompetenz in Deutschland aufzubauen.
• Litona: Das deutsche Startup Litona entwickelt Natrium-Speichermaterialien ("made in Germany") und verkauft diese an Forschungsinstitute, um die Entwicklung von Na-Ion-Akkus in Europa und im Westen voranzutreiben und die Unabhängigkeit von China zu erhöhen.
  
  

4. Forschung und Sicherheit.

Neue Forschung zur Kombination von Chemien.

Forschende der University of Limerick haben eine Vollzellen-Dualkationenbatterie entwickelt, die die Stärken von Lithium- und Natrium-Akkus vereint. Der Elektrolyt enthält sowohl Lithium- als auch Natrium-Kationen, wobei Lithium-Ionen als Kapazitätsverstärker für Natrium-Ionen agieren. Dieses hybride System lieferte auch nach 540 Ladezyklen eine stabile Kapazität und behielt nach 1.000 Zyklen noch 80 % der Kapazität (im Vergleich zu nur 50 Zyklen bei reinen Natriumakkus). Ziel ist es, E-Autos billiger zu machen, ohne Reichweite einzubüssen, während die Vorteile von Natrium (Kosteneffizienz, Sicherheit) erhalten bleiben.

Batteriesicherheit.

Überall, wo viel Energie auf engem Raum gespeichert wird, besteht potenziell eine Gefahr, sei es bei LFP, NMC, Natrium oder sogar Feststoffzellen. Die Gefahr geht oft von brennbaren Flüssigkeiten (organische Elektrolyte) und Plastikkomponenten aus:

• Ursachen von Unfällen: Schlechte Bauweise (z. B. Berührung von Anode und Kathode, wie bei fehlerhaften Samsung-Zellen) oder Softwarefehler, die zu signifikanter Überladung führen, können Gase entstehen lassen und zu einem Platzen oder Brand führen.
• Sicherheitssysteme: Moderne, gute Systeme verfügen über redundante Überwachung (Temperatursensoren, Spannungsprofile) und Sicherheitseinrichtungen, wie Gasventile oder Löschsysteme (z. B. Aerogele). LFP-Zellen sind tendenziell etwas fehlerverzeihender als NMC/NCA-Zellen.

Optimierung des Herstellungsprozesses (Li-Ion).

Eine neue Methode zur Formierungsladung von Lithium-Ionen-Akkus (LIB) kann die durchschnittliche Akkulebensdauer um 50 % verlängern und die Produktionszeit drastisch von zehn Stunden auf 20 Minuten verkürzen. Forschungsergebnisse des SLAC-Stanford Battery Center und des Toyota Research Institute (TRI) zeigen, dass die Durchführung des initialen Ladevorgangs mit ungewöhnlich hohen Stromstärken zu einem besseren Ergebnis führt. Dieser kontraintuitive Effekt beruht auf einem erhöhten initialen Lithiumverlust (ca. 30 % anstatt 9 %), der in der positiven Elektrode "Kopfraum" (headspace) freisetzt, welcher spätere, unvermeidbare Lithiumverluste kompensiert und die Degradation verlangsamt. Diese Optimierung betrifft den Fertigungsprozess und soll in bestehende und zukünftige Produktionslinien integrierbar sein.

5. Ausbildung und weitere Themen.

Angesichts der Bedeutung der Akkutechnik gibt es in Deutschland zu wenige gute Batterie-Lehrstellen; das an Universitäten vermittelte Wissen ist oft zu theoretisch. Zur Schliessung dieser Wissenslücke hat Tom Bötticher, basierend auf seiner Erfahrung (u. a. bei Tesla und VW), die Schulungsplattform "Battery Essentials" entwickelt, um in wenigen Tagen fundierte Batterie-Expertise aufzubauen.

Siehe auch:

CATL Batterien.

CATL Batterien: Naxtra (Natrium-Ionen), Shenxing (Superfast Charging), Freevoy Dual-Power (Cross-Chemistry). Globaler Marktführer bei innovativen Technologien für neue Energien.

CATL Batterien.

Artikel vom 30.4.2025

Naxtra, Natrium-Ionen-Batterien für E-Autos.

Naxtra, Natrium-Ionen-Batterien für E-Autos - Ladezeiten von 30 auf 80 Prozent in 10 Minuten, 10’000 Zyklen. CATL hat die Naxtra-Batterie als serienreif vorgestellt und kündigt die Massenproduktion an.

Naxtra.

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