Verdrängungswettbewerb startet
Autos, die Benzin und Diesel verbrennen, müssen durch erneuerbare Alternativen ersetzt werden, wenn die Klimakrise überwunden werden soll. Elektrofahrzeuge (EVs) werden dafür weithin als die beste verfügbare Option angesehen., schreibt Forschungsstipendiat Robert House an der Royal Academy of Engineering, Universität Oxford, am 10.10.2023 im Portal The Conversation (CC BY-SA 4.0 Deed). Denn EVs könnten mit erneuerbarem Strom aus dem Netz betrieben werden und brauchen somit keine fossilen Brennstoffe mehr.
Motorraum eines E-Autos – Foto © Veronika Neukum, Agentur Zukunft, für Solarify
Sie können diese Energie mit einem Wirkungsgrad von nahezu 100 % speichern und wieder abgeben, während der Verbrennungsmotor nur etwa 30 % der Energie aus dem Kraftstoff sinnvoll umwandeln kann. Elektroautos können zudem Tausende von Malen aufgeladen werden und haben eine ähnliche Lebensdauer wie herkömmliche Autos. Diese technische Meisterleistung ist dank der wiederaufladbaren Batterie möglich.
Die Lithium-Ionen-Batterie ist die leistungsfähigste auf dem Markt erhältliche Batterietechnologie. Aber die Nachfrage nach diesen Batterien steigt rasant an, und die Kosten für die Rohstoffe, aus denen sie hergestellt werden, sind hoch – allein der Preis für Lithiumcarbonat hat sich zwischen Ende 2020 und 2022 verzehnfacht. Da sich über 84 % der bekannten Lithiumvorkommen auf Argentinien, Australien, Chile und China konzentrieren, kann die Sicherung der Rohstoffe für Lithium-Ionen-Batterien für die Hersteller schwierig und teuer sein.
Glücklicherweise könnten Batterien, die auf Natriumionen statt auf Lithium basieren, diese Probleme überwinden – und letztlich zu E-Fahrzeugen führen, die in der Anschaffung günstiger sind. Eine Batterie kann man sich wie ein Sandwich vorstellen: Die beiden Elektroden (Kathode und Anode genannt) sind wie Brotscheiben, die eine Elektrolytfüllung enthalten. Der Elektrolyt ist in der Regel eine Flüssigkeit, die jede der Elektroden durchtränkt und eine hohe Konzentration von darin gelösten Ionen enthält.
Wenn die Batterie aufgeladen wird, bewegen sich die Ionen zur Anode und werden dort gespeichert, bis die Energie benötigt wird. Wenn das Auto eingeschaltet wird, wandern sie in die andere Richtung zur Kathode zurück und erzeugen über den externen Stromkreis einen elektrischen Strom zum Antrieb des Motors.
Lithium ist das beste Element dafür , da die Ionen klein und leicht sind. Das bedeutet, dass sie eng in die Elektroden gepackt werden können und sich schnell bewegen, so dass die Batterien in nur 20 Minuten aufgeladen werden können. An zweiter Stelle steht jedoch Natrium. Natrium, das im Periodensystem direkt unter Lithium steht, hat viele chemische Eigenschaften, wie z. B. die Fähigkeit, sich genauso schnell durch Batteriematerialien zu bewegen. Es hat jedoch den Vorteil, dass es auf der Erde 1.000mal häufiger vorkommt als Lithium.
Das Schlüsselmaterial für die Herstellung von Natrium-Ionen-Batterien, Natriumkarbonat (oder Soda), kommt entweder in Gesteinen und Salzlaken vor oder wird in Fabriken aus Kalkstein und Salz hergestellt. Beide Mineralien sind weithin zugänglich und praktisch unerschöpflich. Die Umstellung von Lithium- auf Natrium-Ionen-Batterien könnte die Abhängigkeit von kritischen Mineralien verringern und billigere Batteriepacks ermöglichen. Aber sind sie schon gut genug, um Elektroautos anzutreiben?
Mit einer einzigen vollen Ladung können die neuesten Lithium-Ionen-Batterien ein Elektroauto etwa 300 bis 400 Meilen weit antreiben. Leider sind Natriumionen dreimal so schwer und ein Drittel so groß wie Lithiumionen. Das bedeutet, dass die Elektroden in Natrium-Ionen-Batterien dicker und schwerer sein müssen, um die gleiche Energiemenge zu speichern.
Jüngste Innovationen bedeuten, dass Natriumbatterien allmählich mit einigen Lithium-Ionen-Systemen konkurrieren können, insbesondere mit solchen, die Lithium-Eisen-Phosphat-Kathoden verwenden, in der Branche als LFP bekannt. Obwohl LFP-haltige Batterien die Energie nicht so dicht speichern können wie die klassenbeste Technologie, gewinnen diese Batterien zunehmend an Bedeutung, da sie in der Regel etwa 20 % billiger sind.
Während eine Reihe von Natrium-Ionen-Kathoden entwickelt wird, werden für die Batterien mit der höchsten Energiedichte Schichtoxid-Kathoden verwendet. Diese Batterien sind gut genug, um billigere Elektroautos für den Personenverkehr mit einer Reichweite von 150-250 Meilen herzustellen. Jüngste Analysen haben gezeigt, dass die neuesten Natrium-Ionen-Batteriepacks dank ihrer billigeren Rohstoffe sogar die Kosten von LFP-Batterien unterbieten können.
Das Ergebnis ist, dass die Natrium-Ionen-Technologie kostengünstige Elektroautos mit ausreichender Reichweite für Pendler und vor allem für Stadtfahrer liefern kann. China hat dieses Potenzial bereits erkannt. Das chinesische Batterieunternehmen CATL hat kürzlich bekannt gegeben, dass es den chinesischen Autohersteller Chery mit Natrium-Ionen-Batterien für ein neues Elektrofahrzeugmodell beliefern will. Zwei weitere chinesische Hersteller, HiNa und die JAC-Gruppe, haben ebenfalls ein mit Natrium-Ionen-Batterien betriebenes Modell mit einer Reichweite von 155 Meilen angekündigt, das in China angeblich für rund 10.000 US-Dollar (8.220 Pfund) verkauft wird.
Die Energiedichte von Natrium-Ionen-Batterien kann noch erheblich verbessert werden. Ein Engpass ist die Kathode. Die besten Schichtoxid-Kathodenmaterialien können nur etwa halb so viele Natriumionen speichern wie die Anode, was effektiv bedeutet, dass doppelt so viel Kathodenmaterial verwendet werden muss, um beide Seiten des Sandwichs auszugleichen, was das Gewicht der Batterie erhöht.
Derzeit wird an der Entwicklung neuer Kathodenmaterialien geforscht, die mehr Natriumionen in ihrer Struktur speichern können und eine höhere Ausgangsspannung liefern, was zu einer höheren Reichweite von Elektrofahrzeugen führt. Gleichwohl beginnen Natrium-Ionen-Batterien nun, den Markt für Elektrofahrzeuge zu erobern. Inwieweit sie mit den Lithiumbatterien mit kürzerer Reichweite konkurrieren können, bleibt abzuwarten und hängt vom wirtschaftlichen Gegenwind und den Fortschritten in der Materialwissenschaft ab.
->Quelle: theconversation.com/how-sodium-ion-batteries-could-make-electric-cars-cheaper