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Anodenfreie Natrium‑Festkörperbatterien könnten die Abhängigkeit vom „Lithium‑Dreieck“ verringern

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Die vielen Wege, eine Batterie zu bauen

Batteriehersteller innovieren ständig in einem Wettlauf, die beste Technologie zu entwickeln. In den letzten Jahren wurde dies durch den Anreiz getrieben, den ständig wachsenden EV‑Markt sowie den noch schneller wachsenden Markt für groß‑skalige Batteriespeicher zu erobern.

Nachdem sie auf Lithium‑Ion‑Technologie basierten, suchen Batterien nach Alternativen, um die Probleme von Li‑Ion: zu teuer, Verwendung seltener Metalle, Brandgefahr usw.

Eine solche Alternative ist Natrium‑Ion, das Natrium anstelle von Lithium verwendet, jedoch auf Kosten einer geringeren Energiedichte.

Eine weitere Alternative sind Festkörperbatterien. Durch den Wegfall von Elektrolyten können sie dichter sein und benötigen daher für die gleiche EV‑Leistung weniger Material. Festkörperbatterien sollten zudem deutlich schneller aufladbar sein.

Andere gewagtere Ansätze ändern nicht nur die Chemie, sondern die Struktur der Batterie selbst. Besonders bemerkenswert: Anodenfreie Batterien entfernen einen Teil der Batterie vollständig.

Forscher versuchen nun, diese Ansätze zu kombinieren, insbesondere mit der kürzlich veröffentlichten Konstruktion der weltweit ersten anodenfreien Natrium‑Festkörperbatterie.

Anodenfreie Natrium‑Festkörperbatterie

Veröffentlicht in Nature Energy unter dem Titel ”Design principles for enabling an anode-free sodium all-solid-state battery“ haben die Forscher der University of California und der University of Chicago nicht nur eine Festkörperbatterie entwickelt, sondern eine, die Natrium anstelle von Lithium verwendet und sogar ohne Anode auskommt.

Natriumbatterie

Natrium ist ein sehr häufiges Ion, praktisch in unbegrenzten Mengen im Ozean vorhanden und 1.000‑mal häufiger in der Erdkruste als Lithium. Das macht es zu einer sehr guten Alternative zu Lithium.

Das ist wichtig, weil Lithium aufgrund des EV‑Booms an mehrere Grenzen stößt:

  • Es ist zu teuer, wodurch die Elektrifizierung selbst zu kostspielig wird.
  • Seine Gewinnung schadet der Umwelt.
  • Es wird nur an wenigen Orten der Welt produziert und meist in China veredelt, was geopolitische Risiken birgt.

Da es so allgegenwärtig und reichlich vorhanden ist, ist es sehr unwahrscheinlich, dass Natrium jemals die Preisinstabilität und Knappheit erlebt, die Lithium in den letzten Jahren erfahren hat.

Das Problem ist, dass Natriumbatterien in der Regel nicht dicht genug sind, um mit lithiumbasierten Batterien zu konkurrieren, außer bei preisgünstigen EV‑Modellen.

Anodenfreie Batterie

Normalerweise besitzt eine Batterie eine Anode, die die Ionen während des Ladevorgangs speichert. Beim Entladen fließen sie zurück zur Kathode.

Anodenfreie Batterien speichern die Ionen stattdessen in einer elektrochemischen Ablagerung aus Alkalimetall direkt auf dem Stromsammler.

Dies ermöglicht eine höhere Zellenspannung, geringere Zellkosten und eine höhere Energiedichte.

Das Problem bei einem anodenfreien Design ist, dass sich am Stromsammler durch das flüssige Elektrolyt Ablagerungen bilden, die die Batterie beschädigen können.

Festkörperbatterie

Festkörperbatterien gelten seit langem als die „endgültige“ Form der batteriebasierten Energiespeicherung, insbesondere für Anwendungen, die eine sehr hohe Dichte Mobilität erfordern.

Durch den Verzicht auf das Elektrolyt wird das Gesamtgewicht der Batterie reduziert und sie lässt sich sehr schnell laden und entladen.

Das Problem bei diesen Designs besteht meist darin, ein ausreichend festes System zu gewährleisten, da Metalle beim Laden dazu neigen zu quellen.

Zusätzlich bleibt das Problem wachsender Dendriten, die Kurzschlüsse (und damit Feuer) verursachen können, stets im Hintergrund, ähnlich wie bei Lithium‑Ion‑Batterien.

Anodenfreie Natrium‑Festkörper

Im Kontext eines anodenfreien Designs besteht ein weiteres Problem darin, dass ein klassisches Festelektrolyt nicht richtig mit dem Stromsammler interagieren kann.

Die Forscher lösten dieses Problem, indem sie Aluminiumpulver als Stromsammler einsetzten, ein Feststoff, der sich wie eine Flüssigkeit verflüssigen lässt.

Viele Vorteile

Durch seine Festigkeit verhindert das Aluminium‑Elektrolyt zudem die Bildung von Dendriten, die Hauptursache für die zu kurze Lebensdauer von Festkörperbatterien.

Es bietet zudem eine stabile Schnittstelle und verhindert, dass ein Teil des Natriums für den Stromsammler unzugänglich bleibt, was die Batteriekapazität verringern würde.

Schließlich ermöglicht es eine hohe Energiedichte, wobei die verschiedenen Varianten dieser Natrium‑Festkörperbatterie eine Dichte von 200‑400 Wh/kg erreichen.

Obwohl dies etwas niedriger ist als bei lithiumbasierten Festkörperbatterien, ist es immer noch deutlich leistungsfähiger als derzeit verwendete Batterien. Kombiniert mit der Wirtschaftlichkeit deutlich günstigerer Materialien, bei denen Natrium und Aluminium Lithium, Kobalt und Nickel ersetzen, könnte dies eine gewinnende Kombination sein.

Die Kraft der Kombination

Noch vor einigen Jahren war die Idee von Natriumbatterien oder anodenfreien Batterien nur ein Konzept, an dem viele zweifelten, dass es die kommerzielle Phase erreichen würde. Dasselbe gilt für Festkörperbatterien.

Dies ändert sich schnell für jede dieser Kategorien sowie für zahlreiche weitere potenzielle Chemien und Designs, die wir in unseren Artikeln „The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech“ und „The Future Of Mobility – Battery Tech“ untersucht haben.

Es scheint, dass wir eine neue Phase betreten, in der Forscher all diese mittlerweile bewährten Batteriekonzepte betrachten und beginnen, sie zu kombinieren.

Überraschenderweise könnte dies helfen, die individuellen Einschränkungen jeder Idee zu überwinden.

In diesem Beispiel werden sowohl das Dendriten‑Problem von Festkörperbatterien als auch das Ablagerungs‑Problem des anodenfreien Designs am Stromsammler durch den Einsatz von Aluminiumpulver gelöst.

Aluminiumpulver allein bei einem anodenfreien Design würde jedoch immer noch zu einer zu geringen Dichte führen.

Aluminiumpulver in Festkörperbatterien wäre ohne Natrium nicht preiswert genug.

Gleichzeitig ist Natrium allein günstig, aber nicht dicht genug, um die Anforderungen an die Mobilität zu erfüllen.

Es scheint also, dass die Kombination verschiedener Designelemente ihre jeweiligen Vorteile zusammenführen und gleichzeitig ihre individuellen Probleme mindern kann, wodurch ein deutlich größeres Spektrum zukünftiger Möglichkeiten für innovative Batteriekemien entsteht als bisher angenommen.

Natriumbatterie‑Unternehmen

1. CATL

CATL ist der weltweite Marktführer in der Batteriefertigung und produziert mehr als die Hälfte des globalen Batteriemarktvolumens. Das Unternehmen ist in jedem Schritt der Lieferkette der Batteriefertigung präsent und ein Vorreiter in der Batterietechnologie.

Dies gilt auch für Lithium‑Ion‑Batterien, bei denen das Unternehmen seit langem führend ist. CATL hat zudem beeindruckende Fortschritte bei mehreren anderen Batterietypen angekündigt:

Quelle: CATL

Das Unternehmen wird im Markt für groß‑skalige Batterien aktiv, mit der Ankündigung der Leistungsdaten seines TENER‑Systems. Es ist „das weltweit erste massenproduzierbare Energiespeichersystem mit null Degradation in den ersten fünf Nutzungsjahren in Peking, China“.

Immense Energie in einem kompakten Raum: 20‑Fuß‑Container mit 6,25 MWh Kapazität

Angetrieben von Spitzentechnologien und extremen Fertigungskapazitäten hat CATL die Herausforderungen, die durch hochaktive Lithiummetalle in null‑Degradations‑Batterien entstehen, gelöst, was effektiv hilft, thermisches Durchgehen durch Oxidationsreaktionen zu verhindern.

CATL hat außerdem 3,25 Mrd. in Batterierecyclingkapazitäten in China investiert. CATL hat bemerkenswerterweise eine herausragende Rückgewinnungsrate von 99,6 % für Nickel, Kobalt, Mangan und 91 % für Lithium erzielt.

Dank seiner Größe, seines Fokus und seiner F&E‑Erfolge wird CATL voraussichtlich an der Spitze von Batterieneinnovation, -herstellung und -recycling stehen. Das macht es zu einem wichtigen Partner für EV‑Hersteller, darunter Tesla, NIO, Ford, Stellantis usw.

2. BYD

Als langjähriger Herausforderer von Tesla im EV‑Markt hat BYD nicht nur für Tesla, sondern für praktisch alle Automobilhersteller einen ernsthaften Konkurrenten dargestellt.

Das Unternehmen entwickelte sich von seinem Ursprung als Lieferant von Handy‑Batterien zu einem Anbieter, der fast genauso viele EVs wie Tesla in China (dem weltweit größten EV‑Markt) verkauft und das meistverkaufte EV in Thailand, Schweden, Australien, Neuseeland, Singapur, Israel und Brasilien ist.

BYD ist ein wesentlicher Grund dafür, dass China 2023 plötzlich zum weltweit größten Autoexporteur wurde und Japan überholte. Die aggressive Auslandsexpansion des Unternehmens wird zudem durch neue Fabriken, wie in Ungarn, unterstützt.

Und mit der Einführung von 10.000‑ bis 12.000 $‑Autos wie dem Seagul, die Natriumbatterien nutzen, könnte sich ein völlig neuer Markt für BYD‑EVs öffnen.

Quelle: By User3204 – Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=142412738

Im Kern ein Batteriehersteller, ist BYD ein ernstzunehmender Herausforderer von CATL im LFP‑Batteriemarkt, mit einem Marktanteil von 41,1 % in China (gegenüber 33,9 % von CATL).

Die „Flut“ günstiger EVs, die BYD in die europäischen und amerikanischen Märkte bringt, wird wahrscheinlich mit einem gewissen Protektionismus (auch über die kürzlich verhängten Zölle hinaus) begegnet, was das Wachstum von BYD behindern könnte.

Gleichzeitig sind günstige chinesische EVs bereits ein großer Erfolg im Rest der Welt, wo es kaum einheimische Automobilhersteller gibt, die geschützt werden müssen, einschließlich ganz Südamerika, Russland, Afrika, dem Nahen Osten und Südostasien.

Dies entspricht mehreren Milliarden potenziellen Kunden für BYD, die in Ländern leben, die ein geopolitisches Gleichgewicht anstreben und gute Beziehungen sowohl zum Westen als auch zu China pflegen wollen, sodass es unwahrscheinlich ist, dass zu starke protektionistische Barrieren entstehen.

Und selbst in der EU oder den USA könnte BYD wettbewerbsfähig bleiben, dank der deutlich höheren Preise lokaler EV‑Hersteller im Vergleich zu den Preisen in China sowie der Lokalisierung der Produktion außerhalb Chinas für diese Märkte, zum Beispiel in Osteuropa, Mexiko oder der Türkei.

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Jonathan ist ein ehemaliger Biochemiker-Forscher, der in der genetischen Analyse und klinischen Studien tätig war. Er ist jetzt ein Börsenanalyst und Finanzautor mit Fokus auf Innovation, Marktzyklen und Geopolitik in seiner Publikation The Eurasian Century.