Mein Thema des Monats – Natriumionenbatterien (NIB)

Lithiumionenbatterien (LIB) kennt heute quasi jedes Kind. Viele moderne Technologien, von denen wir heute so abhängig werden – Smartphones, Notebooks,… – wären ohne diese Batterien undenkbar. Auch in Sachen Elektromobilität stehen LIB im Fokus– auch wenn ich persönlich diese Entwicklung für eine Fehlentwicklung halte, aber das ist ein anderes Thema.

Lithium weist unter den Metallen die geringste Dichte unter Standardbedingungen auf, ist also sehr leicht. Seine Ionen sind zudem klein und es hat ein extrem negativ liegendes Redoxpotential, oder anders gesagt, es ist äußerst unedel. Letzteres ermöglicht hohe Zellspannungen von annähernd 3 V (vgl. Nickel-Akkumulatoren mit 1,2 bis 1,5 V Spannung). Erstes führt zu hohen Energiedichten, d. h. viel Energie pro Gewichtseinheit (Li-Ionen: 120-210 Wh/kg, Ni-Akkus: 40-110 Wh/kg). Diese Eigenschaften ermöglichten erst die kleinen und langlebigen Akkus für Smartphones und Notebooks. Leider führt das unedle Verhalten auch zu einigen Problemen, denn Lithium ist äußert reaktiv, wie einige spektakuläre Brände von Elektroautos eines amerikanischen Herstellers demonstrieren. Außerdem kommt es nicht in unendlich großen Mengen vor (es ist seltener als z. B. Kupfer, aber häufiger als z. B. Blei) und seine Herstellung ist eher teurer.

Natriumionenbatterien

Sollte sich die Fehlentwicklung zur Elektromobilität wie von uneinsichtigen Weltverbesserern gefordert entwickeln, könnte es zu Engpässen in der Versorgung mit Lithium kommen. Häufiger vorkommende und preiswertere Metalle wären also attraktiv. Ein Metall, das als Ersatz diskutiert wird, ist Natrium. Dieses Metall ist chemisch gesehen dem Lithium recht ähnlich, allerdings sind seine Ionen etwas größer, was Probleme im Zusammenhang mit Volumenveränderungen der Batteriekomponenten erhöht. Außerdem ist es natürlich auch schwerer, was sich negativ auf die Energiedichte auswirkt. Andererseits kommt es deutlich häufiger vor als Lithium (z. B. in Form von Kochsalz) und ist daher preiswerter zu haben.

Ein Übersichtsartikel in der Angewandten Chemie befasst sich nun mit den chemisch/physikalisch/technischen Auswirkungen eines Ersatzes von Lithium durch Natrium. Dabei zeigte sich, dass die Batteriechemie häufig komplexer wird und manche für Lithiumionenbatterien gut gelösten Probleme neuer Lösungen bedürfen, Natriumionenbatterien jedoch nicht per se schlechtere Leistungen bieten. Sie werden wohl keine Lösungen für die Fahrzeugtechnik bieten, jedoch womöglich für eine stationäre Energiespeicherung, z. B. im Zusammenhang mit Photovoltaik- oder Windkraftanlagen, bei denen das Gewicht der Batterie keine Rolle spielt. Aber auch wenn die Forschung zu NIB in den vergangenen Jahren große Fortschritte erzielt hat, steht sie eher noch am Anfang und eine technische Realisierung wird noch Zeit brauchen.

Der besagte Artikel, dessen Übersetzung ins Deutsche übrigens von mir stammt, findet sich unter:

Deutsch: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.201703772/abstract

Englisch: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201703772/abstract