Forschungsprojekt Vier-Volt-Natrium-Ionen-Batterie Entwicklung einer kostengünstigen Natrium-Ionen-Batterien für den Stadtverkehr

Mit der wachsenden Zahl an Elektrofahrzeugen wächst die Nachfrage nach Energiespeichern. Lithium-Ionen-Batterien werden diese Nachfrage aufgrund des Einsatzes kritischer Rohstoffe nur bedingt abdecken können. Daher arbeitet man vehement an alternativen Batterietechnologien, beispielsweise im Projekt Vier-Volt-Natrium-Ionen-Batterie.

In Projekt Vier-Volt-Natrium-Ionen-Batterie (4NiB) entwickelt das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) mit drei Partnern Natrium-Ionen-Batterien. Bei den Partnern handelt es sich um das Helmholtz Institut Ulm-Karlsruhe mit dem Institut für Technologie (HIU-KIT), das Forschungszentrum Jülich mit dem Institut für Energie- und Klimaforschung sowie die Albert Ludwigs Universität Freiburg mit dem Freiburger Materialforschungszentrum (FMF).

Im Projekt vorgesehen ist, dass auch Bioabfälle zum Einsatz kommen. Die Batterien sollen auf Elektrofahrzeuge im Stadtverkehr und stationäre Batteriespeicher zugeschnitten sein.

Anstieg auf 4.700 GWh bis 2030 erwartet

In den Zukunftsszenarien für eine nachhaltige Energieversorgung sind Batterien ein Schlüsselelement und unverzichtbar, insbesondere zur Speicherung von regenerativ erzeugtem Strom und für die Elektromobilität. Der prognostizierte Anstieg des Bedarfs an Energiespeichern von 700 Gigawattstunden (GWh) in 2022 auf 4.700 GWh in 2030 erfordert nicht nur die Produktion der Batterien, sondern auch die Bereitstellung der hierfür notwendigen erheblichen Mengen an Rohstoffen.

Alternative für Lithium: Natrium

Natrium-Ionen-Batterien könnten eine Alternative für Lithium-Ionen-Akkus sein. Vorteil: Natrium ist in großen Mengen vorhanden und kostengünstig, weil es beispielsweise aus Meersalz (Natriumchlorid) gewonnen werden kann. Die weiteren Schlüsselmaterialien der Natriumionen-Batterien enthalten weder Kobalt noch Nickel oder Lithium und können somit ohne kritische Rohstoffe hergestellt werden. Durch den Verzicht auf teure Kupferfolien in der Batterie und den in Lithium-Ionen-Batterien verwendeten Graphit lassen sich nicht nur Kosten reduzieren, sondern auch die Nachhaltigkeit weiter verbessern. Für den Graphit können alternative Kohlenstoffverbindungen, die aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen werden, zum Einsatz kommen.

China als Vorreiter

In China werden solche Natriumionenbatterien bereits kommerzialisiert, Europa muss daher so schnell wie möglich nachziehen. Bis zum wirklichen Massenprodukt werden jedoch noch einige Jahre vergehen, denn es muss viel an diesem neuen Batterietyp optimiert werden.

Neue Anodentechnologie: Hartkarbon ersetzt Grafit

Schwerpunkt des Vier-Volt-Natrium-Ionen-Batterie-Projekts ist die Entwicklung und optimale Abstimmung von Anoden, Kathoden und Elektrolyten. Das Hauptziel des Projekts besteht darin, eine Hochleistungszelle im Pouch-Format zu präsentieren, die eine spezifische Energie von über 200 Wattstunden pro Kilogramm erreicht.

Kathodenseitig steht die Entwicklung von Hochvoltkathoden mit vier Volt im Fokus. Hierbei konzentrieren sich die Partner auf die Entwicklung sicherer, hochspannungsstabiler Mischphosphate aus Polyanionen. Mithilfe von Simulationen ermittelt man die optimale Zusammensetzung der eingesetzten Übergangsmetalle, um die gespeicherte Energie zu maximieren. Die Anode wird auf der Basis von Hartkohle aus Bioabfall hergestellt, wobei Vorprodukte zum Einsatz kommen, die es in Deutschland reichlich gibt.

Der Elektrolyt wird eine nicht-wässrige Flüssigkeit sein, der zur Erhöhung der Leitfähigkeit und der Sicherheit eine ionische Flüssigkeit zugesetzt werden kann. Die Partner planen darüber hinaus Strategien zur Vorladung (Vor-Sodierung) solcher Energiespeicher entwickelt werden, um so die Energie in der Batterie zu maximieren.

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert das Projekt unter dem Förderkennzeichen 03XP0572 mit 1,35 Millionen Euro über einen Zeitraum von drei Jahren. ( se)

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