Sind Natrium-Ionen-Akkus ernstzunehmende Konkurrenz für Lithium-Ionen-Akkus? – Die Vor- und Nachteile im Vergleich

HKM Akkutechnik
12/06/2024

In der Welt der wiederaufladbaren Batterie-Technologien haben sich Lithium-Ionen-Akkus schon seit Langem auf dem Markt etabliert und finden sich in zahlreichen Geräten und Werkzeugen. Lithium-Ionen-Akkus bringen viele Vorteile mit sich, haben eine lange Lebensdauer und sind sehr leistungsstark. Allerdings gewinnen in letzter Zeit Natrium-Ionen-Akkus zunehmend an Bedeutung. Doch sind die Energieträger wirklich als Konkurrenz für Lithium-Ionen-Akkus zu betrachten? In unserem Ratgeber gehen wir genauer auf die Vor- und Nachteile von Natrium-Ionen-Akkus ein und erläutern Ihnen die Unterschiede im Vergleich zu Lithium-Ionen-Akkus, um Ihnen einen fundierten Einblick in diese aufstrebende Batterie-Technologie zu geben.

Fortschritte in der Entwicklung von Natrium-Ionen-Batterien

Auch wenn die Lithium-Akkutechnologie aktuell immer noch am gefragtesten ist, rücken andere Optionen für neue Energien immer mehr ins Rampenlicht. So gelten Natrium-Ionen-Akkus, die fast zeitlich mit Lithium-Ionen-Akkus entwickelt wurden, als wichtige Kandidaten für den eventuellen Ersatz von Lithium-Batterien. Die Preise für letztere unterlagen in den letzten Jahren aufgrund geringer Ressourcen starken Schwankungen, sodass immer häufiger die Frage nach anderen Optionen auftaucht. Natrium-Batterien sind dabei eigentlich nichts Neues. Sie kamen gleichzeitig mit Lithium-Batterien auf den Markt und sind seit den 1980ern bekannt. Allerdings haben sie eine mäßige Energiedichte und müssen bei Temperaturen von rund 250 bis 300 °C betrieben werden. Fortschritte in der Entwicklung und Herstellung, sowie andere Vorteile gegenüber Lithium-Ionen-Akkus rücken die Energieträger nun aber immer mehr ins Rampenlicht.

Wie funktionieren Natrium-Ionen-Akkus?

Natrium-Ionen-Akkus verwenden Natrium-Ionen als Ladungsträger und ähneln in ihrer Funktionsweise den Lithium-Ionen-Akkus. Als Anodenmaterial kommen allerdings Natriumverbindungen, wie Natrium-Sulfid oder Natrium-Chlorid zum Einsatz. Sie speichern die Natrium-Ionen in einem Elektrolyt aus organischen Lösungsmitteln. Beim Laden wandern die Natrium-Ionen von der Kathode zur Anode und werden dort gespeichert. Beim Entladen bewegen sie sich von der Anode zur Kathode und geben dabei elektrische Energie frei. Da Natrium eine reichlich vorhandene Ressource und weiter verbreitet sowie kostengünstiger ist als Lithium, gelten Natrium-Ionen-Akkus als vielversprechende Alternative zu Lithium-Ionen-Akkus.

Vorteile von Natrium-Ionen-Akkus

Dadurch, dass Natrium in großer Zahl verfügbar ist und weiter verbreitet als Lithium, entstehen bei der Produktion von Natrium-Ionen-Akkus geringere Materialkosten. Aufgrund der größeren globalen Verbreitung des Natriums im Vergleich zu Lithium ergeben sich starke Kostenvorteile, denn speziell in den letzten Jahren sind die Kosten für den Abbau des immer knapper werdenden Lithiums und ebenso die Kosten für die Herstellung der Lithium-Ionen-Batterien gestiegen. Darüber hinaus haben Natrium-Ionen-Akkus ein größeres Potenzial für kostengünstigere Großanwendungen.

Natrium-Ionen-Akkus gelten als umweltfreundlichere Alternative zu Lithium-Ionen-Akkus, da sie keine seltenen oder umweltschädlichen Materialien enthalten und leicht recycelbar sind. Auf kritische Rohstoffe wie Kobalt, Graphit, Kupfer und Nickel wird komplett bzw. fast verzichtet. Da Natrium, z.B. als Bestandteil von Kochsalz, überall reichlich vorhanden ist, kann es, anders als Lithium, einfach und preiswert gewonnen werden. Lithium dagegen wird in der Regel in empfindlichen Ökosystemen abgebaut, was negative Auswirkungen auf die Umwelt hat. Darüber hinaus werden bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien oftmals Stoffe verwendet, die sich ebenfalls schädigend auf die Umwelt auswirken können. Im Vergleich dazu erreicht die Natrium-Ionen-Akkutechnologie aufgrund der großen Verfügbarkeit von Natrium eine bessere Umweltbilanz. Auch wenn bei der Entwicklung dieser Akkumulatoren ebenfalls Stoffe zum Einsatz kommen, die die Umwelt schädigen, trägt bereits der Verzicht auf knappe Rohstoffe deutlich zur Schonung dieser bei.

Während Natrium-Ionen-Akkus in der Vergangenheit hinsichtlich der Energiedichte hinter Lithium-Ionen-Akkus zurückgeblieben sind, wird durch jüngste Fortschritte bei Elektrodenmaterialien dieser Abstand immer mehr verringert.

Außerdem stehen der von Natur aus geringeren Energiedichte von Natrium die potenziellen Kostenvorteile gegenüber, die mit Natrium verbunden sind, was die Natrium-Ionen-Akkus für bestimmte Anwendungen zu einer attraktiven Option macht.

Im Vergleich zu Lithium-Ionen-Akkus sind Natrium-Ionen-Akkus wesentlich sicherer, denn die Brandgefahr ist hier denkbar gering. Die verwendeten Materialien sind zum einen weniger reaktionsfreudig und zum anderen weniger temperaturempfindlich. Dennoch müssen Sie auch bei Natrium-Ionen-Akkus auf ein Ladeverfahren mit dem richtigen Ladegerät und auf die Einhaltung der Lagerungshinweise achten, da grundsätzlich bei jeder Batterietechnologie Gefahren bestehen können, solange Sie die spezifischen Anwendungshinweise und das entsprechende Ladeverfahren nicht einhalten.

Natrium-Ionen-Akkumulatoren weisen aufgrund der hohen Widerstandsfähigkeit des Natriums eine höhere Lebensdauer auf als die ohnehin schon hohe Lebensdauer von Lithium-Ionen-Akkus. Bei letzteren wird bei einem angemessenen Umgang mit einer Lebensdauer von etwa 1.000 Ladezyklen gerechnet. Natrium-Ionen-Akkus sollen ca. 5.000 Ladezyklen durchhalten.

Nicht außer Acht zu lassen ist, dass Natrium-Ionen-Akkus sowohl bei tiefen als auch hohen Temperaturen äußerst widerstandsfähig sind, da sie einen breiteren Betriebstemperaturbereich aufweisen. Diese thermische Widerstandsfähigkeit macht Natrium-Ionen-Akkus möglicherweise besser geeignet für Anwendungen in verschiedenen Klimazonen und Umgebungen. Im Vergleich dazu arbeiten Lithium-Ionen-Akkus effizient in einem moderaten Temperaturbereich zwischen -20 °C und 60 °C. Extreme Temperaturen können die Leistung und Sicherheit von Lithium-Ionen-Akkus beeinträchtigen, sodass in bestimmten Anwendungen Wärmemanagement-Systeme erforderlich sind.

Diese Nachteile haben Natrium-Ionen-Akkus

Auch wenn Natrium-Ionen-Akkus viele positive Eigenschaften aufweisen, bringen sie auch Nachteile mit sich. So ist die geringe Energiedichte im Vergleich zu Lithium-Ionen-Akkus der wohl ausschlaggebendste Nachteil, denn dadurch können sie weniger Energie pro Gewichtseinheit speichern. Dies hat zur Folge, dass innerhalb des Gewichts der Batterie nur relativ wenig Energie gespeichert werden kann. Dadurch, dass sich mithilfe der Natrium-Ionen-Technologie wenig Energie speichern lässt, muss, wenn man die gleiche Kapazität wie bei einem Lithium-Ionen-Akku erreichen will, eine größere Batterie mit einem höheren Gewicht entwickelt werden. Hier wird zwar bereits an Lösungen für dieses Problem gearbeitet, doch fürs Erste bleiben die geringe Energiedichte sowie das hohe Eigengewicht, zwei eng miteinander verbundene und wesentliche Nachteile der Natrium-Ionen-Technologie. Obwohl Natrium-Ionen-Akkus vielversprechend sind, befinden sie sich noch in einem frühen Entwicklungsstadium und weitere Forschung und Entwicklung sind erforderlich, um ihre Leistung und Speicherkapazität zu verbessern.

Weitere Nachteile der Natrium-Ionen-Akkus sind für Sie als Verbraucher weniger relevant und betreffen hauptsächlich die Hersteller der Natrium-Ionen-Akkus. So müssen beispielsweise für die Herstellung dieses Batterietypen neue Maschinen und Infrastrukturen erworben bzw. errichtet werden, was mit hohen Anschaffungskosten einhergeht.

Die genannten Nachteile aus der Perspektive der Batteriehersteller, zu denen hohe Anschaffungskosten, ein hoher organisatorischer Anschaffungsaufwand und eine voraussichtlich lange Amortisationsdauer gehören, führen dazu, dass die Verbreitung der Natrium-Ionen-Akkus in den nächsten Jahren voraussichtlich eher langsam vorangeht.

Wo können Natrium-Ionen-Akkus eingesetzt werden?

Aufgrund der geringen Energiedichte und des dadurch hohen Gewichts ist die Natrium-Ionen-Technologie hauptsächlich eine Option für die stationäre Nutzung. Darüber hinaus könnte sie alternativ in größeren Geräten Anwendung finden. Beispiele für solche Geräte sind Fahrzeuge, wozu sowohl Kleinwagen als auch größere E-Autos gehören. In der stationären Nutzung könnten Natrium-Ionen-Akkus für PV-Anlagen infrage kommen, während er in Fahrzeugen vor allem die E-Mobilität fördern könnte. Beides sind für die Energiewende wichtige Aspekte, die von einer umweltfreundlichen Akkutechnologie wie bei den Lithium-Ionen-Akkus profitieren könnten.

Ersetzen Natrium-Ionen-Akkus schon bald Lithium-Ionen-Akkus?

Natrium-Ionen-Akkus stellen aufgrund ihrer zahlreichen Vorteile mit potenziell niedrigeren Produktionskosten und einer größeren Verfügbarkeit von Rohstoffen eine vielversprechende Alternative zu Lithium-Ionen-Akkus dar. Sie gelten als umweltfreundlicher und könnten in Zukunft eine wichtige Rolle bei der Speicherung erneuerbarer Energien spielen. Trotz ihrer Vorteile stehen Natrium-Ionen-Akkus jedoch noch vor Herausforderungen in Bezug auf Leistung, Energiedichte und Entwicklung. Durch kontinuierliche Forschung und Innovation könnten Natrium-Ionen-Akkus jedoch zu einer wettbewerbsfähigen Alternative zu Lithium-Ionen-Akkus werden und die Batterietechnologie der Zukunft prägen. Auch ist es denkbar, dass beide Technologien nebeneinander existieren und jede ihre Nische in dem sich entwickelnden Gebiet der Energiespeicherung findet. Ob es dabei um die hohe Energiedichte von Lithium-Ionen oder die potenziellen Kostenvorteile von Natrium-Ionen geht, so wird die Zukunft der Energiespeicherung vermutlich eine Mischung aus Präzision und Leistung sein.