Unter ihnen haben Natrium (Na)-Ionen-Batterien (NIBs) ein großes Potenzial, die nächste Generation kostengünstiger und umweltfreundlicher Energiespeicherlösungen darzustellen. Die unterschiedlichen Leistungsindikatoren, die für verschiedene Anwendungen erforderlich sind, und die Diversifizierung des Marktes sind die treibende Kraft, die die Na-Ionen-Technologie näher an den Markt heranbringt.
Ein Team von Wissenschaftlern, darunter WMG an der University of Warwick, hat sein Wissen und seine Erfahrung zusammengeführt, um den aktuellen Stand der Na-Ionen-Technologie von den Materialien bis zur Zellentwicklung zu bewerten und einen realistischen Vergleich der Leistungsindikatoren für NBs und LIBs vorzunehmen.
LIBs spielen eine wichtige Rolle beim Übergang zu einer kohlenstoffarmen Wirtschaft. Da der Markt jedoch rasch expandiert, rücken die mit der Massenproduktion von LIBs verbundenen ökologischen und sozialen Herausforderungen die Suche nach alternativen Energiespeicherlösungen auf der Grundlage von Materialien, die auf nachhaltige und verantwortungsvolle Weise beschafft werden können, in den Vordergrund. In diesem Szenario stellen NIBs eine alternative kostengünstige, nachhaltige und umweltfreundlichere Energiespeichertechnologie dar.
In dem Artikel „Challenges of today for Na-based batteries of the future: from materials to cell metrics“, der am 18. September 2020 im Journal of Power Sources veröffentlicht wurde, analysiert ein großes Team von Wissenschaftlern, die auf dem Gebiet der Na-Ionen-Technologie tätig sind, unter der Leitung der WMG an der University of Warwick (UK) die Aussichten, dass NIBs einen Platz auf dem Energiespeichermarkt einnehmen. An dem Papier sind auch Forscher des Helmholtz-Instituts Ulm (Deutschland), des College de France (Frankreich), der Humboldt-Universität Berlin (Deutschland), des Instituts für Energietechnologie (Norwegen), der Université de Picardie Jules Verne (Frankreich), der Universität Bordeaux (Frankreich) und des CIC energiGUNE (Spanien) beteiligt.
Na-Batterien bieten eine Kombination attraktiver Eigenschaften. Sie sind kostengünstig, verwenden nachhaltige Ausgangsstoffe und verfügen über eine sichere Rohstoffversorgung. Darüber hinaus werden sie als Drop-in-Technologie betrachtet, die von den bereits bestehenden Produktionsanlagen für Li-Ionen-Batterien profitieren könnte.
Wie Li-basierte Systeme gibt es auch Na-basierte Batterien in verschiedenen Formen, z. B. Na-Ionen, Na-all-solid-state-Batterien, NaO2 und Na/S. Während die letztgenannten als disruptive Zukunftstechnologien angesehen werden, stellt die Na-Ionen-Technologie eine attraktive Technologie dar, die fast bereit ist, die Li-Ionen-Batterien in bestimmten Anwendungen herauszufordern.
Leistungskennzahlen sind von größter Bedeutung für die SIB-Technologie, um wettbewerbsfähige Kosten pro Wh zu gewährleisten und einen Platz auf dem Markt zu finden. In dieser Arbeit wurden die vielversprechendsten Elektrodenmaterialien und Elektrolytsysteme untersucht und Leistungskennzahlen aus der akademischen Literatur verwendet, um Leistungsindikatoren für vollständige Natriumionenzellen zu extrapolieren.
Die Autoren weisen darauf hin, dass die derzeit besten Materialien, die für Na-Ionen-Zellen verfügbar sind, mit der laufenden Entwicklung eine Annäherung an die Energiedichte der derzeitigen Generation kommerzieller Li-Ionen-Zellen ermöglichen sollten. Einer der wichtigsten Anwendungsbereiche für die entwickelten Natrium-Ionen-Batterieprototypen sind sicherlich stationäre Energiespeichersysteme, bei denen Kosten und Lebensdauer zwei grundlegende Parameter darstellen. „In diesem Bereich haben Natrium-Ionen-Batterien das Potenzial, den zukünftigen Markt zu dominieren, da sie das vielversprechendste System darstellen, um die Lücke zwischen Energieerzeugung und -nutzung zu schließen und die Energieversorgung sicherzustellen. Hochleistungsanwendungen im Bereich elektrifizierter Automobile sind jedoch eine potenzielle Nischenanwendung für NIBs“, sagt Dr. Ivana Hasa, Assistenzprofessorin am WMG.
Weitere technologische Verbesserungen sind erforderlich, um die Leistung insbesondere im Hinblick auf die Energiedichte zu erhöhen. Bei der Na-Ionen-Technologie wurden im Vergleich zur Li-Ionen-Technologie in sehr kurzer Zeit äußerst ermutigende Ergebnisse erzielt. Technologische Verbesserungen werden durch die Optimierung der Zellkomponentenherstellung und -montage erreicht, wie dies in den letzten dreißig Jahren bei der LIB-Technologie der Fall war.
Dr. Ivana Hasa von der WMG, University of Warwick kommentiert: „Aus der Sicht der angewandten Forschung sollten die künftigen Forschungsanstrengungen der Grundlagenforschung, der Materialentdeckung und dem Verständnis der thermodynamischen und kinetischen Prozesse, die die Chemie dieser Systeme bestimmen, gewidmet werden. Darüber hinaus ist die Untersuchung von hochskalierten Na-Ionen-Batterien von größter Bedeutung, um realistische Daten zu erhalten, mit denen die Fortschritte der Technologie gemessen werden können, und um eine einheitliche Berichterstattungsmethodik in der wissenschaftlichen Gemeinschaft einzuführen, die einen fairen Vergleich der Leistungsergebnisse ermöglicht.“