Lithium-Ionen vs. Natrium-Ionen

Welchem Batterietyp gehört die Zukunft?

25. Mai 2021, 10:45 Uhr   |  Mascot

Welchem Batterietyp gehört die Zukunft?
© Fuss Sergey/Shutterstock

Dass die Lithium-Ionen-Batterie der Goldstandard in der Batterietechnik ist, ist längst nicht ausgemacht.

Obwohl sich die Lithium-Ionen-Batterie zunehmender Beliebtheit erfreut und sie massenhaft eingesetzt wird, ist sie noch nicht der Weisheit letzter Schluss was die Batterietechnik betrifft. So suchen Entwickler nach wie vor nach der »perfekten« Batterie. Sind Natrium-Ionen der Schlüssel dazu?

Lithium-Ionen-Batterien wurden in den letzten Jahren immer beliebter. Die Gründe liegen auf der Hand: Sie erfüllen die acht wichtigsten Anforderungen an die ideale Batterie – hohe spezifische Energie, hohe spezifische Leistung, Erschwinglichkeit, lange Lebensdauer, Sicherheit, weiter Betriebsbereich, geringe Toxizität sowie die Fähigkeit, schnell geladen zu werden.

Darüber hinaus sind Li-Ionen-Batterien sehr vielseitig, bieten eine hohe Energiedichte und geringe Selbstentladung und sind wartungsarm. Sie erfüllen auch die wichtigste Anforderung an jede Batterie: bei Bedarf sofort zur Verfügung zu stehen.

Aber sie haben auch ihre Grenzen. So treten zum Beispiel immer wieder Probleme beim Transport auf. Zudem altern Li-Ionen-Batterien auch dann, wenn sie nicht verwendet werden, und es ist eine Schutzschaltung erforderlich, um Spannung und Strom innerhalb sicherer Grenzen zu halten.

Die Entwicklung von Li-Ionen-Batterien geht weiter, insbesondere durch den Einsatz von einkristallinem Kathodenmaterial anstelle von Grafit. Dies hat für den sich schnell entwickelnden Markt für Elektrofahrzeuge (EV) große Vorteile, da eine immer höhere Batteriekapazität und längere Lebensdauer angestrebt wird. 15 Jahre sind hier das gewünschte Branchenziel. Die Langlebigkeit der gängigsten Li-Ionen-Batterietypen in Consumer-Anwendungen wie Mobiltelefonen, in denen sie bis zur maximal zulässigen Spannung geladen werden, wird jedoch weiterhin begrenzt sein.

Um die spezifische Energie von Li-Ionen-Batterien zu verbessern, werden Silizium-Nanodraht-Anoden verwendet, die mehr Wattstunden pro kg (Wh/kg) bieten – doppelt so viel wie bei kommerziellen Li-Ionen-Zellen. Wie bei allen auf Si-Nanodrähten basierenden Strukturen ist ihre Lebensdauer jedoch begrenzt. Denn zwischen den Nanodraht-Arrays können sich mikroskalige Si-Inseln bilden, deren Zyklen nicht nur zu Spannungen und Rissen führen, sondern auch zu Kapazitätsverlusten, die sich aus dem verringerten Kontakt mit Stromabnehmern ergeben.

Mascot Batterieladegerät
© Mascot

Das Modell 3743 von Mascot ist ein vielseitiges und leistungsstarkes Batterieladegerät für LI- und LA-Batterien. Es verwendet ein 3-stufiges Ladeprofil mit einem Mikrocontroller zur Maximierung der Batterieleistung für eine breite Palette von Batteriechemien.

Ist die Natrium-Ionen-Batterie das Optimum?

Kein Wunder also, dass nach unvermindert nach der optimalen Batterielösung gesucht wird. Bei fast allen Batterietypen verlängert sich derzeit die Entwicklungsdauer (zehn Jahre sind keine Seltenheit), wobei viele Konzepte bereits im Laborstadium aufgegeben werden. Bei anderen wird das anfängliche Einführungsdatum oft mehrmals verschoben, wenn es sich als unrealistisch erweist. Diese verlängerte Entwicklungszeit macht die Herstellung von Batterien für Investoren unattraktiv. Es braucht also großes Engagement und Geduld, um einen neuen Batterietyp auf den Markt zu bringen. Es verwundert daher nicht, dass die erfolgreiche Einführung einer neuen Batterie nicht nur eine Seltenheit, sondern auch ein bedeutendes Ereignis ist – und dass einige bewährte Techniken, die zuvor aus kommerziellen Gründen beiseitegelegt wurden, erneut in den Fokus rücken.

Eine davon sind Natrium-Ionen-Batterien. Die Fortschritte in diesem Bereich haben in den 1970-er und 1980-er Jahren mit den Li-Ionen-Produkten Schritt gehalten. Doch ab diesem Zeitpunkt verlagerte sich der Fokus auf Lithium. Mit der Sorge um die verbleibenden weltweiten Lithiumvorräte und den damit verbundenen höheren Kosten hat sich die Suche nach verfügbareren und kostengünstigeren Alternativen intensiviert. Natrium ist das sechsthäufigste Element in der Erdkruste und kann auch aus Meerwasser gewonnen werden. Die Vorräte wären somit nahezu unbegrenzt.

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2. Na-Ionen-Batterien: Vorteile

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