Differenzierte Bewertung dank neuer Datenbasis

Natrium-Ionen-Batterien werden bislang oft als umweltfreundlich, aber leistungsschwach wahrgenommen.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass diese pauschale Bewertung zu kurz greift“, erklärt Philipp Voß, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Fraunhofer FFB. Die Technologie sei vielfältiger als bislang angenommen: „Je nach Zellchemie unterscheiden sich die Energiedichte und die Klimabilanz zum Teil erheblich.“

Die Studie basiert auf einer umfassenden Modellierung industrieller Produktionsprozesse im Maßstab von Gigafabriken und fokussiert sich auf die beiden zentralen Kennwerte Energiedichte und CO₂-Fußabdruck.

Konkurrenzfähige Klimabilanz

Die Untersuchung vergleicht Natrium-Ionen-Batterien mit aktuellen Lithium-Ionen-Batterien auf Basis von Lithium-Eisenphosphat. Zwar speichern Natrium-Ionen-Zellen derzeit noch weniger Energie – insbesondere bezogen auf das Volumen – doch durch gezielte Materialoptimierungen könnte dieser Nachteil deutlich reduziert oder je nach Zellchemie sogar vollständig ausgeglichen werden.

„Zellen mit Schichtoxid-Kathoden zählen zu den vielversprechendsten Kandidaten unter den Natrium-Ionen-Batterien. Sie erzielen die höchsten Energiedichten unter den untersuchten Zelltypen“, so Voß.

Auch im Hinblick auf den CO₂-Fußabdruck schneiden viele Natrium-Ionen-Zellchemien bereits gut ab. Dies gilt insbesondere bei der Nutzung von Hard Carbon als Anodenmaterial. Dieses lässt sich klimafreundlicher herstellen als der in Lithium-Ionen-Zellen verwendete synthetische Graphit. „Der geringe Energieverbrauch bei der Herstellung von Hard Carbon senkt nicht nur die Emissionen, sondern auch die Kosten für das Anodenmaterial – ein entscheidender Vorteil gegenüber der Lithium-Ionen-Technologie“, erklärt Simon Lux.

Entwicklungspotenzial für Hard Carbon

Während auf der Kathodenseite verschiedene Materialien eingesetzt werden, dominiert auf der Anodenseite aktuell Hard Carbon. Dieses weist eine geringere spezifische Energie auf als Graphit. Die Studie sieht aber auch hier Potenzial: Verbesserungen in der Materialqualität könnten die Energiedichte erhöhen und die Emissionen um bis zu elf Prozent senken.

„Hard Carbon ist heute noch der Engpass bei der Energiedichte“, sagt Lux. „Aber das Entwicklungspotenzial ist groß. Mit gezielten Optimierungen lässt sich die Lücke zu Lithium-Eisen-Phosphat in absehbarer Zeit schließen.“

Perspektive für industrielle Produktion

Bereits heute planen mehrere Unternehmen die Produktion von Natrium-Ionen-Zellen im Maßstab von Gigafabriken. Der Markteintritt wird durch die Drop-In-Kompatibilität mit bestehenden Fertigungslinien für Lithium-Ionen-Batterien erleichtert.

„Mit Natrium-Ionen-Batterien haben wir die Chance, uns geostrategisch unabhängig von Ländern wie China zu machen“, betont Lux. „Um dieses Potenzial zu heben, ist eine gezielte Förderung von Forschung und Entwicklung von Natrium-Ionen-Batterien unerlässlich.“

Studienhintergrund und Methodik

In der Studie  »Benchmarking state-of-the-art sodium-ion battery cells – modeling energy density and carbon footprint at the gigafactory-scale« wurden ausschließlich Zellchemien und Materialien analysiert, die aktuell von kommerziellen Herstellern verfolgt werden. Bewertet wurden sämtliche Prozesse der industriellen Produktion – von der Aktivmaterialsynthese bis zur Zellherstellung im Gigawattstundenbereich.

Die verwendeten Daten stammen aus Maschinen und Prozessen der Fraunhofer FFB. Untersucht wurden großformatige Zellen im Industriemaßstab.

Originalpublikation:
Voß, P., Gruber, B., Mitterfellner, M., Plöpst, J.-D., Degen, F., Schmuch, R., & Lux, S. (2024). Benchmarking state-of-the-art sodium-ion battery cells – modeling energy density and carbon footprint at the gigafactory-scale. Energy & Environmental Science. DOI:10.1039/D4EE00889D

Quelle: Fraunhofer-Einrichtung für Batteriezellforschung (FFB)