Anodenfreie Natrium-Festkörperbatterien könnten die Abhängigkeit vom ‘Lithium-Dreieck’ verringern

Die vielen Möglichkeiten, eine Batterie herzustellen

Batteriehersteller sind ständig auf der Suche nach Innovationen, um die beste Technologie zu entwickeln. In den letzten Jahren wurde dies durch den Anreiz getrieben, den immer größer werdenden Markt für Elektrofahrzeuge und den sich schnell entwickelnden Markt für Batterien im Großmaßstab zu erobern.

Früher basierten Batterien auf Lithium-Ion-Technologie, aber jetzt suchen sie nach Möglichkeiten, über diese Technologie hinauszugehen, um die Probleme von Li-Ion zu lösen: zu teuer, seltene Metalle, Brandgefahr usw.

Quelle: Research Gate

Eine Alternative ist die Natrium-Ion-Batterie, die anstelle von Lithium Natrium verwendet, jedoch mit geringerer Energiedichte.

Eine weitere Alternative sind Festkörperbatterien. Durch die Entfernung des Elektrolyten können sie dichter sein und daher weniger für die gleiche Leistung benötigen. Festkörperbatterien sollten auch viel schneller aufladbar sein.

Andere, kühnere Ansätze ändern nicht nur die Chemie, sondern auch die Struktur der Batterie selbst. Bemerkenswerterweise entfernen anodenfreie Batterien einen Teil der Batterie vollständig.

Forscher suchen jetzt nach Möglichkeiten, diese Ansätze miteinander zu kombinieren, insbesondere mit der jüngsten Veröffentlichung eines Designs für die weltweit erste anodenfreie Natrium-Festkörperbatterie.

Anodenfreie Natrium-Festkörperbatterie

Veröffentlicht in Nature Energy unter dem Titel “Designprinzipien für die Realisierung einer anodenfreien Natrium-Festkörperbatterie“, haben die Forscher von der University of California und der University of Chicago nicht nur eine Festkörperbatterie entwickelt, sondern auch eine, die anstelle von Lithium Natrium verwendet und sogar ohne Anode auskommt.

Natrium-Batterie

Natrium ist ein sehr häufig vorkommendes Ion, praktisch unbegrenzt in den Ozeanen, 1.000-mal häufiger in der Erdkruste als Lithium. Dies macht es zu einer sehr guten Alternative zu Lithium.

Es ist wichtig, weil Lithium aufgrund des Booms bei Elektrofahrzeugen mehrere Grenzen erreicht:

• Es ist zu teuer, was die Elektrifizierung selbst zu teuer macht.
• Seine Gewinnung ist umweltschädlich.
• Es wird nur an wenigen Orten auf der Welt produziert und hauptsächlich in China raffiniert, was geopolitische Risiken birgt.

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

Das Problem ist, dass Natrium-Batterien normalerweise nicht dicht genug sind, um mit Lithium-Batterien zu konkurrieren, außer bei günstigen Elektrofahrzeugmodellen.

Anodenfreie Batterie

Normalerweise hat eine Batterie eine Anode, die die Ionen speichert, während die Batterie lädt. Sie fließen dann zurück zur Kathode, wenn die Batterie ihre Energie freisetzt.

Anodenfreie Batterien speichern die Ionen hingegen in einem elektrochemischen Ablagerung von Alkalimetall direkt auf dem Stromkollektor.

Dies ermöglicht eine höhere Zellspannung, geringere Zellkosten und eine erhöhte Energiedichte.

Quelle: University Of Chicago

Das Problem mit einem anodenfreien Design ist, dass der Stromkollektor tendenziell eine Ablagerung von dem flüssigen Elektrolyten sieht, was die Batterie schädigen kann.

Festkörperbatterie

Festkörperbatterien werden seit langem als die “endgültige” Form der batteriebasierten Energiespeicherung erwartet, insbesondere für Anwendungen, die eine sehr hohe Dichte und Mobilität erfordern.

Die Entfernung des Elektrolyten reduziert das Gesamtgewicht der Batterie und macht sie sehr schnell aufladbar.

Das Problem mit diesen Designs ist normalerweise, ein solides genuges System zu haben, da Metalle tendenziell quellen, wenn sie laden.

Zusätzlich ist das Problem des Wachstums von Dendriten, die Kurzschlüsse (und daher Brände) verursachen können, immer im Hintergrund vorhanden, wie bei Lithium-Ion-Batterien.

Anodenfreie Natrium-Festkörperbatterie

Im Kontext eines anodenfreien Designs ist ein zusätzliches Problem, dass ein klassischer Festkörper-Elektrolyt nicht ordnungsgemäß mit dem Stromkollektor interagieren kann.

Die Forscher lösten dieses Problem, indem sie Aluminiumpulver als Stromkollektor verwendeten, das ein Feststoff ist, der wie eine Flüssigkeit fließen kann.

Quelle: University Of Chicago

Viele Vorteile

Durch die Festkörper-Eigenschaft verhindert das Aluminium-Elektrolyt auch die Bildung von Dendriten, der Hauptursache für die zu kurze Lebensdauer von Festkörperbatterien.

Es bietet auch eine stabile Schnittstelle und verhindert, dass ein Teil des Natriums für den Stromkollektor unzugänglich ist, was die Batteriekapazität verringern würde.

Schließlich ermöglicht es eine hohe Energiedichte, wobei die verschiedenen Optionen für diese Natrium-Festkörperbatterie alle im Bereich von 200-400 Wh/kg liegen.

Quelle: University Of Chicago

Obwohl dies ein bisschen niedriger ist als Lithium-basierte Festkörperbatterien, ist es immer noch viel stärker als derzeit verwendete Batterien. In Kombination mit der Wirtschaftlichkeit von viel billigeren Materialien, bei denen Natrium und Aluminium Lithium, Kobalt und Nickel ersetzen, könnte es eine gewinnende Kombination sein.

Die Macht der Kombination

Vor einigen Jahren war die Idee von Natrium-Batterien oder anodenfreien Batterien nur ein Konzept, das viele bezweifelten, dass es jemals eine kommerzielle Stufe erreichen würde. Gleiches gilt für Festkörperbatterien.

Dies ändert sich schnell für jede dieser Kategorien, sowie für viele andere potenzielle Chemien und Designs, die wir in unseren Artikeln “Die Zukunft der Energiespeicherung – Batterien im Großmaßstab” und “Die Zukunft der Mobilität – Batterietechnologie” erkundet haben.

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

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

In diesem Beispiel werden sowohl die Dendritenprobleme von Festkörperbatterien als auch das Problem der Ablagerung auf dem Stromkollektor in anodenfreien Designs durch die Verwendung von Aluminiumpulver gelöst.

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

Aluminiumpulver in Festkörperbatterien wäre ohne die Verwendung von Natrium nicht billig genug.

Natrium allein ist billig, aber nicht dicht genug, um die Anforderungen für die Mobilität zu erfüllen.

Es scheint also, dass die Kombination verschiedener Designelemente dazu beitragen kann, ihre jeweiligen Vorteile zusammenzubringen und gleichzeitig ihre individuellen Probleme zu beseitigen oder zumindest abzumildern, und so ein viel größeres Set an zukünftigen Möglichkeiten für innovative Batteriechemien schafft, als bisher angenommen.

Natrium-Batterie-Unternehmen

1. CATL

CATL ist der weltweite Marktführer im Batteriebau und produziert mehr als die Hälfte des globalen Batterievolumens. Das Unternehmen ist in jeder Phase der Batterieproduktionskette vertreten und ist ein Leader in der Batterietechnologie.

Dies gilt für Lithium-Ion-Batterien, wo das Unternehmen seit langem etabliert ist. CATL hat auch beeindruckende Fortschritte bei anderen Batterietypen angekündigt:

• Eine 12.000-Zyklen-Ultralanglebensdauer-Batterie für die Energiespeicherung im Großmaßstab, mit 18.000 Zyklen als langfristiges Ziel.
• Eine 700 km LFP (Lithium-Eisenphosphat)-Batterie, die 400 km Reichweite in 10 Minuten auflädt.
• Eine 500 Wh/kg-Batterie, die möglicherweise die Elektrifizierung von Passagierflugzeugen ermöglicht.
• Die Massenproduktion von 160 Wh/kg-Natrium-Ion-Batterien, mit einem Ziel von 200 Wh/kg.

Quelle: CATL

Das Unternehmen ist im Markt für Batterien im Großmaßstab aktiv, mit der Ankündigung der Leistung seines TENER-Systems. Es ist “die weltweit erste serienreife Energiespeicherlösung mit null Degradation in den ersten fünf Jahren der Nutzung in Peking, China”.

Unvergleichliche Energie in einem kompakten Raum: 20-Fuß-Container mit 6,25 MWh-Kapazität

Dank fortschrittlicher Technologien und extremer Fertigungskapazitäten hat CATL die Herausforderungen durch hochaktive Lithiummetalle in Batterien ohne Degradation gelöst, was effektiv hilft, thermische Ausfälle durch Oxidationsreaktionen zu verhindern.

CATL hat auch 3,25 Milliarden in Recyclingkapazitäten in China investiert. CATL hat bemerkenswerterweise eine außergewöhnliche Rückgewinnungsrate von 99,6% für Nickel, Kobalt, Mangan und 91% für Lithium erreicht.

Dank seiner Größe, seines Fokus und seiner Forschungsergebnisse ist CATL wahrscheinlich an der Spitze der Batterieinnovation, -herstellung und -recycling. Dies macht es zu einem wichtigen Partner für Elektrofahrzeughersteller, einschließlich Tesla, NIO, Ford, Stellantis usw.

2. BYD

Ein langjähriger Herausforderer von Tesla auf dem Elektrofahrzeugmarkt, ist BYD zu einem ernsthaften Konkurrenten für Tesla und fast alle Automobilhersteller geworden.

Das Unternehmen hat sich von seinem Ursprung als Zulieferer von Telefonbatterien zu einem Unternehmen entwickelt, das fast so viele Elektrofahrzeuge wie Tesla in China (dem größten Elektrofahrzeugmarkt der Welt) verkauft und zum bestverkauften Elektrofahrzeug in Thailand, Schweden, Australien, Neuseeland, Singapur, Israel und Brasilien geworden ist.

BYD ist ein großer Teil des Grundes, warum China plötzlich zum weltweit größten Automobilexporteur im Jahr 2023 wurde und Japan überholte. Die aggressive Expansion des Unternehmens im Ausland wird auch durch neue Fabriken getragen, wie in Ungarn.

Und mit der Veröffentlichung von 10.000-12.000-Dollar-Autos wie dem Seagull, das Natrium-Batterien verwendet, könnte sich ein ganz neuer Markt für BYD-Elektrofahrzeuge öffnen.

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

Im Kern immer noch ein Batteriehersteller, ist BYD ein ernsthafter Konkurrent von CATL auf dem LFP-Batteriemarkt, mit einem Marktanteil von 41,1% in China (im Vergleich zu 33,9% von CATL).

Die “Flut” von billigen Elektrofahrzeugen, die von BYD in die europäischen und amerikanischen Märkte strömt, wird wahrscheinlich mit einem gewissen Grad an Protektionismus (auch über die kürzlich verhängten Zölle hinaus) konfrontiert, was das Wachstum von BYD behindern könnte.

Aber gleichzeitig sind billige chinesische Elektrofahrzeuge bereits ein großer Erfolg in der restlichen Welt, die keine starken heimischen Automobilhersteller hat, die geschützt werden müssen, einschließlich des gesamten Südamerikas, Russlands, Afrikas, des Nahen Ostens und Südostasiens.

Dies stellt mehrere Milliarden potenzieller Kunden für BYD dar, die in Ländern leben, die bestrebt sind, ein geopolitisches Gleichgewicht zu schlagen und gute Beziehungen sowohl zum Westen als auch zu China zu pflegen, sodass es unwahrscheinlich ist, dass sie starke protektionistische Barrieren errichten.

Und selbst in der EU oder den USA könnte BYD aufgrund der viel höheren Preise der lokalen Elektrofahrzeughersteller im Vergleich zu den Preisen in China sowie der Lokalisierung der Produktion außerhalb Chinas für diese Märkte, wie z.B. in Osteuropa, Mexiko oder der Türkei, wettbewerbsfähig bleiben.