Studie des Fraunhofer FFB Natrium-Ionen-Batterien stehen kurz vor Marktreife

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Einer aktuellen Studie der Fraunhofer FFB und der Universität Münster zufolge stehen Natrium-Ionen-Batterien an der Schwelle zur industriellen Massenproduktion. Besonders für Anwendungen mit geringeren Anforderungen an die Energiedichte bieten sie bereits heute eine tragfähige und nachhaltige Alternative. Erwartete Materialoptimierungen könnten dazu führen, dass Natrium-Ionen-Batterien in den kommenden Jahren auch in Elektrofahrzeugen zum Einsatz kommen. 

Natrium-Ionen-Batterien gelten als umweltfreundlich, jedoch häufig auch als leistungsschwach. "Unsere Ergebnisse zeigen, dass diese pauschale Bewertung zu kurz greift", fasst Studienautor Philipp Voß, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Fraunhofer FFB, zusammen. Die Technologie sei vielfältiger als bislang angenommen. "Je nach Zellchemie unterscheiden sich die Energiedichte und die Klimabilanz zum Teil erheblich", so Voß. Die Studie belegt erstmals diese Differenzierung durch eine umfassende Modellierung auf Basis industrieller Produktionsdaten im Maßstab von Gigafabriken mit Fokus auf die Energiedichte und den CO₂-Fußabdruck.

Natrium-Ionen-Batterien auf dem Weg in den Massenmarkt

Batterietechnologien der nächsten Generation spielen eine Schlüsselrolle für die Energie- und Mobilitätswende. Natrium-Ionen-Batterien gelten als vielversprechende Alternative zu Lithium-Ionen-Technologien, vor allem aufgrund besserer Verfügbarkeit der Rohstoffe und potenziell geringeren Umweltwirkungen. In der Studie wurden ausschließlich Zellchemien und Materialien untersucht, die gegenwärtig von kommerziellen Herstellern verfolgt und weiterentwickelt werden.

Bereits konkurrenzfähige CO2-Bilanz

Die Studienergebnisse zeigen: Aktuell speichern Natrium-Ionen-Batterien noch weniger Energie als Lithium-Ionen-Batterien auf Basis von Lithium-Eisenphosphat, insbesondere bezogen auf das Volumen. Den Studienautoren zufolge lässt sich dieser Rückstand durch gezielte Materialoptimierung reduzieren und bei einzelnen Zellchemien sogar vollständig ausgleichen. "Zellen mit Schichtoxid-Kathoden zählen zu den vielversprechendsten Kandidaten unter den Natrium-Ionen-Batterien. Sie erzielen die höchsten Energiedichten unter den untersuchten Zelltypen", unterstreicht Voß.

Auch beim CO₂-Fußabdruck schneiden viele Natrium-Ionen Zellchemien laut Studie bereits gut ab. Besonders die Verwendung von Hartkohlenstoff (Hard Carbon) als Anodenmaterial zeige Vorteile. Im Vergleich zum in Lithium-Ionen-Batterien verwendeten synthetischen Graphit, dessen Herstellung besonders energieintensiv ist, lässt sich Hard Carbon deutlich klimafreundlicher produzieren. "Der geringe Energieverbrauch bei der Herstellung von Hard Carbon senkt nicht nur die Emissionen, sondern auch die Kosten für das Anodenmaterial - ein entscheidender Vorteil gegenüber der Lithium-Ionen Technologie", erläutert Dr. Simon Lux, Professor für angewandte elektrochemische Energiespeichertechnik und Wirtschaftschemie an der Uni Münster.

Hard Carbon mit Entwicklungspotenzial

Allerdings zeigt sich bei der Energiedichte eine Schwäche: Während Batteriezellhersteller auf der Kathodenseite unterschiedliche Materialien einsetzen, ist Hard Carbon das dominierende Anodenmaterial. Dieses hat aktuell eine deutlich geringere spezifische Energie als das Graphit in der klassischen Lithium-Ionen-Batterie. Allerdings bietet Hard Carbon noch Spielraum für Leistungssteigerungen. Laut Studie könnten gezielte Materialverbesserungen die Energiedichte erhöhen und Emissionen um bis zu elf Prozent senken. "Hard Carbon ist heute noch der Engpass bei der Energiedichte", sagt Lux. "Aber das Entwicklungspotenzial ist groß. Mit gezielten Optimierungen lässt sich die Lücke zu Lithium-Eisen-Phosphat in absehbarer Zeit schließen."

Bereit für die Gigafactory

Schon jetzt drängen Natrium-Ionen-Batterien auf den Batteriemarkt und mehrere Unternehmen verfolgen Pläne für eine Produktion im Gigafactory-Maßstab. Die Drop-in-Technologie in bestehende Fertigungslinien für Lithium-Ionen-Batterien senkt die Markteintrittsbarrieren erheblich und beschleunigt die Produktionssteigerung. "Mit Natrium-Ionen-Batterien haben wir die Chance, uns geostrategisch unabhängig von Ländern wie China zu machen", betont Lux. "Um dieses Potenzial zu heben, ist eine gezielte Förderung von Forschung und Entwicklung von Natrium-Ionen-Batterien unerlässlich."

Wissenschaftliche Methode und Zugriff

In der Studie "Benchmarking state-of-the-art sodium-ion battery cells – modeling energy density and carbon footprint at the gigafactory-scale" wurden ausschließlich Zellchemien und Materialien analysiert, die aktuell von kommerziellen Herstellern verfolgt werden. Grundlage der Bewertung sind Prozesse im industriellen Maßstab: Von der Aktivmaterialsynthese bis zur Zellproduktion im Gigawattstundenbereich. Die zugrunde liegenden Produktionsdaten stammen von den Maschinen der Fraunhofer FFB. Betrachtet wurden großformatige Zellen im Industriemaßstab. Die Studie ist in der wissenschaftlichen Fachzeitschrift "Energy & Environmental Science" frei zugänglich.