Der bedeutendste Unterschied liegt in der Kathode. Laut dem neuen IDTechEx-Bericht „Natrium-Ionen-Batterien 2025–2035: Technologie, Akteure, Märkte und Prognosen“ entwickeln führende Unternehmen jedoch aktiv natriumbasierte Alternativen zu NMC- (Nickel-Mangan-Kobalt) und LFP-Lithium-Eisenphosphat-Batterien. Die drei wichtigsten in Entwicklung befindlichen Natrium-Ionen-Kathodentypen sind Übergangsmetalloxide (ähnlich wie NMC), Polyanionen (ähnlich wie LFP) und Preußischblau-Analoga (einzigartig für Natrium-Ionen).
Übergangsmetalloxide und Preußischblau-Analoga sind aufgrund ihrer geringen Kosten und des Verzichts auf Seltenerdelemente besonders vielversprechend. Übergangsmetalloxide, die typischerweise aus Natrium, Sauerstoff, Nickel, Eisen und Mangan bestehen, verzichten auf Kobalt und tragen somit zur Lösung der Nachhaltigkeitsprobleme bei, die Lithium-Ionen-Batterien bisher beeinträchtigt haben. Preußischblau-Analoga mit ihrer rhomboedrischen Struktur bestehen ausschließlich aus Natrium, Eisen, Kohlenstoff und Stickstoff und sind daher in der Natrium-Ionen-Technologie einzigartig.
Hinsichtlich Anode und Elektrolyt ähneln Natrium-Ionen-Batterien stark Lithium-Ionen-Batterien. Hartkohlenstoffanoden, die bereits in früheren Generationen von Lithium-Ionen-Batterien verwendet wurden, sind die bevorzugte Wahl, da Natriumionen zu groß sind, um in Graphit eingelagert zu werden. Die Elektrolyte bestehen aus ähnlichen Salzen und Lösungsmitteln, wobei anstelle von Lithium Natrium verwendet wird, beispielsweise NaPF₆ in einem Carbonatlösungsmittel.
Vergleich von Natriumionen mit anderen zellulären Substanzen. Quelle: IDTechEx
Der Vergleich der verschiedenen Leistungsmerkmale verdeutlicht die allgemeinen Vor- und Nachteile der jeweiligen Batterietechnologie. Die Energiedichte von Natriumionen-Batterien ist zwar geringer als die von hochenergetischen Lithiumionen-Zellen mit Nickelbasis, nähert sich aber der Energiedichte von Hochleistungs-Lithium-Eisenphosphat-Zellen (LFP) an. Die Lebensdauer der Zellen ist in bestimmten Konfigurationen zufriedenstellend. Ein interessanter Aspekt, der in der Abbildung nicht dargestellt ist, ist die hohe Leistungsfähigkeit von Natriumionen-Batterien mit Berichten von ca. 1000 W/kg. Diese Werte liegen über denen von NMC-Zellen (ca. 340–420 W/kg) und LFP-Zellen (ca. 175–425 W/kg). Zudem weisen sie ein besseres Tieftemperaturverhalten auf.
Kostenwettbewerbsfähigkeit in einem sich wandelnden Markt
Einer der Hauptvorteile von Natrium-Ionen-Batterien ist ihr Potenzial zur Kostensenkung im Vergleich zu Lithium-Ionen-Technologien. Bei großtechnischer Herstellung dürften die Materialkosten einer Natrium-Ionen-Batterie mit einer Schichtmetalloxid-Kathode und einer Hartkohlenstoffanode etwa 25–30 % niedriger sein als die einer Lithium-Eisenphosphat-Batterie (LFP). Diese Kostensenkung ist primär auf den Ersatz von Lithium und Kupfer durch das kostengünstigere Natrium und Aluminium zurückzuführen, was zu einer Kostenreduktion von rund 12 % führt, hauptsächlich aufgrund der Verwendung von Aluminium als Stromkollektor.
Die Kostenstruktur wird jedoch von mehreren Faktoren beeinflusst. Hauptkostentreiber jeder Batterie sind die Elektrodenmaterialien, und Hartkohlenstoff etabliert sich als primäres Anodenmaterial für Natriumionenbatterien. Obwohl Hartkohlenstoff gegenüber Graphit einen Kostenvorteil bietet, weist er eine geringere Dichte auf. Dies bedeutet, dass für die gleiche Menge an Aktivmaterial mehr Elektrolyt benötigt wird, was sowohl die Kosten als auch die Masse erhöht. Darüber hinaus ist Hartkohlenstoff tendenziell teurer als natürlicher Graphit, und bestimmte Varianten zeigen eine geringere Leistung.
Die Zukunft von Natrium-Ionen-Batterien und ihr Potenzial, Lithium-Ionen-Batterien preislich zu unterbieten, sind weiterhin Gegenstand hitziger Debatten. Während die Kosten für Lithium-Ionen-Batterien stetig sinken, ist es ungewiss, wann die Natrium-Ionen-Technologie diese Preise erreichen oder gar übertreffen wird. IDTechEx ist überzeugt, dass technische Fortschritte, und nicht bloß eine Produktionssteigerung, der Schlüssel zur Senkung der Kosten von Natrium-Ionen-Batterien sein werden.
Wenn die Lithiumpreise weiterhin auf dem historischen Tiefstand verharren, wird es für Natriumionen-Batterien in den nächsten zehn Jahren deutlich schwieriger, wettbewerbsfähig zu werden. Mit fortschreitender technischer Entwicklung könnten sich Natriumionen-Batterien jedoch als ergänzende Technologie etablieren und in bestimmten Anwendungsbereichen, in denen Kostenreduzierung und Materialverfügbarkeit von entscheidender Bedeutung sind, einen Mehrwert bieten.
Autor: Shazan Siddiqi, Senior Technology Analyst bei IDTechEx
