Während die Preise für Lithium-Ionen-Batterien erneut sinken, hat das Interesse an der Energiespeicherung mit Natriumionen (Na-Ionen) nicht nachgelassen. Angesichts des weltweiten Ausbaus der Zellfertigungskapazität bleibt unklar, ob diese vielversprechende Technologie den Ausschlag für Angebot und Nachfrage geben kann. Marija Maisch berichtet.
Natriumionenbatterien befinden sich in einer kritischen Kommerzialisierungsphase, da Branchen von der Automobilindustrie bis zur Energiespeicherung stark auf die Technologie setzen. Etablierte Batteriehersteller und Neueinsteiger kämpfen darum, mit einer brauchbaren Alternative zu Lithium-Ionen vom Labor in die Fabrik zu gelangen. Beim letztgenannten Standard für Elektromobilität und stationäre Speicher müssen neue Technologien bewährte Vorteile bieten. Natriumionen scheinen gut aufgestellt zu sein, mit überlegener Sicherheit, Rohstoffkosten und Umweltfreundlichkeit.
Natriumionengeräte benötigen keine kritischen Materialien, da sie auf reichlich Natrium anstelle von Lithium und kein Kobalt oder Nickel angewiesen sind. Als im Jahr 2022 die Preise für Lithium-Ionen stiegen und Materialknappheit prognostiziert wurde, wurde Natrium-Ionen als Konkurrent gehandelt und das Interesse bleibt groß, auch wenn die Preise für Lithium-Ionen wieder zu fallen beginnen.
„Wir verfolgen derzeit eine Produktionskapazität von 335.4 GWh für Natriumionenzellen bis 2030, was unterstreicht, dass es immer noch ein erhebliches Engagement für die Technologie gibt“, sagte Evan Hartley, leitender Analyst bei Benchmark Mineral Intelligence.
Im Mai 2023 hatte der in London ansässige Berater 150 GWh bis 2030 prognostiziert.
billigere
In großem Maßstab hergestellte Natriumionenzellen könnten 20 bis 30 % günstiger sein als Lithiumferro/Eisenphosphat (LFP), die vorherrschende stationäre Speicherbatterietechnologie, vor allem dank des reichlich vorhandenen Natriums und der geringen Extraktions- und Reinigungskosten. Natriumionenbatterien können anstelle von Kupfer, das in Lithiumionen verwendet wird, Aluminium für den Anodenstromkollektor verwenden, was die Kosten und Risiken in der Lieferkette weiter senkt. Diese Einsparungen sind jedoch immer noch möglich.
„Bevor Natrium-Ionen-Batterien den bestehenden Blei-Säure- und Lithium-Eisenphosphat-Batterien Konkurrenz machen können, müssen Branchenakteure die Kosten der Technologie senken, indem sie die technische Leistung verbessern, Lieferketten aufbauen und Skaleneffekte erzielen“, sagte Shazan Siddiqi, leitender Technologieanalyst bei United Das im Königreich ansässige Marktforschungsunternehmen IDTechEx. „Der Kostenvorteil von Na-Ion ist nur erreichbar, wenn der Produktionsumfang einen mit Lithium-Ionen-Batteriezellen vergleichbaren Fertigungsmaßstab erreicht. Außerdem könnte ein weiterer Preisverfall bei Lithiumcarbonat den Preisvorteil von Natrium verringern.“
Es ist unwahrscheinlich, dass Natriumionen Lithiumionen in Anwendungen ersetzen werden, bei denen hohe Leistung im Vordergrund steht, und sie werden stattdessen für stationäre Speicher und Mikroelektrofahrzeuge verwendet. Die Analysten von S&P Global gehen davon aus, dass Lithium-Ionen bis 80 2030 % des Batteriemarkts ausmachen werden, wobei 90 % dieser Geräte auf LFP basieren. Natriumionen könnten 10 % des Marktes ausmachen.
Richtige Entscheidungen
Seit Mitte des 20. Jahrhunderts beschäftigen sich Forscher mit Natriumionen. Zu den jüngsten Entwicklungen zählen Verbesserungen der Speicherkapazität und des Gerätelebenszyklus sowie neue Anoden- und Kathodenmaterialien. Natriumionen sind voluminöser als Lithiumionen, daher haben Natriumionenzellen eine niedrigere Spannung sowie eine geringere gravimetrische und volumetrische Energiedichte.
Die gravimetrische Energiedichte von Natriumionen liegt derzeit bei etwa 130 Wh/kg bis 160 Wh/kg, es wird jedoch erwartet, dass sie in Zukunft 200 Wh/kg übersteigt, was über dem theoretischen Grenzwert für LFP-Geräte liegt. In Bezug auf die Leistungsdichte könnten Natriumionenbatterien jedoch 1 kW/kg haben, was höher ist als bei Nickel-Mangan-Kobalt-Batterien (NMC) von 340 W/kg bis 420 W/kg und bei LFPs von 175 W/kg bis 425 W/kg.
Während eine Lebensdauer von Natriumionengeräten mit 100 bis 1,000 Zyklen geringer ist als bei LFP, hat der indische Entwickler KPIT eine Lebensdauer mit 80 % Kapazitätserhalt für 6,000 Zyklen gemeldet – abhängig von der Zellchemie – vergleichbar mit Lithiumionengeräten.
„Es gibt immer noch keine einzige erfolgreiche Chemie in Natriumionenbatterien“, sagte Siddiqi von IDTechEx. „Es werden zahlreiche Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen unternommen, um das perfekte aktive Anoden-/Kathodenmaterial zu finden, das eine Skalierbarkeit über die Laborphase hinaus ermöglicht.“
Unter Bezugnahme auf die in den USA ansässige Sicherheitswissenschaftsorganisation Underwriter Laboratories fügte Siddiqi hinzu, dass „die UL-Standardisierung für Natriumionenzellen daher noch eine Weile entfernt ist und OEMs (Originalgerätehersteller) zögern, sich auf eine solche Technologie festzulegen.“
Preußischweiß, Polyanion und Schichtoxid sind Kathodenkandidaten mit günstigeren Materialien als Lithiumionen-Pendants. Ersteres wird von Northvolt und CATL verwendet und ist weit verbreitet und kostengünstig, weist jedoch eine relativ geringe volumetrische Energiedichte auf. Das in Großbritannien ansässige Unternehmen Faradion verwendet geschichtetes Oxid, das eine höhere Energiedichte verspricht, jedoch mit der Zeit mit einem Kapazitätsverlust zu kämpfen hat. Das französische Unternehmen Tiamat verwendet Polyanion, das stabiler ist, aber giftiges Vanadium enthält.
„Die Mehrheit der Zellhersteller, die die Kapazität von Natriumionenbatterien planen, werden die Schichtoxid-Kathodentechnologie verwenden“, sagte Hartly von Benchmark. „Tatsächlich bestehen 71 % der [Zellen-]Pipeline aus geschichtetem Oxid. Ebenso bestehen 90.8 % der Natriumionen-Kathodenpipeline aus geschichtetem Oxid.“
Während bei Lithium-Ionen-Batterien die Kathode der Hauptkostentreiber ist, ist bei Natrium-Ionen-Batterien die Anode die teuerste Komponente. Harter Kohlenstoff ist die Standardwahl für Natriumionenanoden, aber die Produktionskapazität bleibt hinter der von Natriumionenzellen zurück, was die Preise in die Höhe treibt. Hartkohlenstoffmaterialien werden in jüngster Zeit aus verschiedenen Vorläuferstoffen wie tierischen Abfällen, Klärschlamm, Glukose, Zellulose, Holz, Kohle und Erdölderivaten gewonnen. Synthetischer Graphit, ein gängiges Lithiumionen-Anodenmaterial, basiert fast ausschließlich auf den beiden letztgenannten Vorläufern. Aufgrund seiner wachsenden Lieferkette ist Hartkohlenstoff teurer als Graphit und stellt eine der größten Hürden bei der Produktion von Natriumionenzellen dar.
Natriumionenbatterien weisen eine bessere Temperaturtoleranz auf, insbesondere bei Temperaturen unter Null, was die höheren Kosten teilweise mindert. Sie sind sicherer als Lithium-Ionen-Akkus, da sie auf null Volt entladen werden können, was das Risiko beim Transport und bei der Entsorgung verringert. Lithium-Ionen-Batterien werden normalerweise mit einer Ladung von etwa 30 % gelagert. Bei Natriumionen besteht ein geringeres Brandrisiko, da seine Elektrolyte einen höheren Flammpunkt haben – die Mindesttemperatur, bei der eine Chemikalie verdampfen und mit Luft ein zündfähiges Gemisch bilden kann. Da beide Chemikalien eine ähnliche Struktur und ein ähnliches Funktionsprinzip aufweisen, können Natriumionen häufig in Produktionslinien und Anlagen für Lithiumionen eingebracht werden.
Tatsächlich integriert der weltweit führende Batteriehersteller CATL Natriumionen in seine Lithium-Ionen-Infrastruktur und -Produkte. Seine erste Natrium-Ionen-Batterie, die 2021 auf den Markt kam, hatte eine Energiedichte von 160 Wh/kg, für die Zukunft werden 200 Wh/kg versprochen. Im Jahr 2023 werde der chinesische Autohersteller Chery laut CATL der erste sein, der seine Natriumionenbatterien einsetzt. CATL erzählte pv Magazin Ende 2023 gab das Unternehmen bekannt, dass es eine grundlegende Industriekette für Natriumionenbatterien entwickelt und die Massenproduktion etabliert hat. Der Produktionsumfang und die Auslieferungen würden von der Umsetzung der Kundenprojekte abhängen, sagte CATL und fügte hinzu, dass für die kommerzielle Einführung von Natriumionen in großem Maßstab noch mehr getan werden müsse. „Wir hoffen, dass die gesamte Branche zusammenarbeiten wird, um die Entwicklung von Natrium-Ionen-Batterien voranzutreiben“, sagte der Batteriehersteller.
Auf Natrium laden
Im Januar 2024 gab Chinas größter Automobilhersteller und zweitgrößter Batterielieferant BYD bekannt, dass er mit dem Bau einer 10 Milliarden CNY (1.4 Milliarden US-Dollar) teuren Fabrik für Natriumionenbatterien mit einer Kapazität von 30 GWh pro Jahr begonnen habe. Der Ausgang wird „Mikromobilitäts“-Geräte antreiben. HiNa, ein Spin-off der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, hatte im Dezember 2022 eine Produktionslinie für Natrium-Ionen-Batterien im Gigawattstunden-Maßstab in Betrieb genommen und eine Na-Ionen-Batterie-Produktreihe sowie einen Elektroauto-Prototyp angekündigt.
Der europäische Batteriehersteller Northvolt stellte im November 160 2023 Wh/kg-validierte Natriumionen-Batteriezellen vor. Die Technologie wurde gemeinsam mit Altris – einem Spin-off der Universität Uppsala in Schweden – entwickelt und wird im Energiespeichergerät der nächsten Generation des Unternehmens zum Einsatz kommen. Das aktuelle Angebot von Northvolt basiert auf der NMC-Chemie. Bei der Markteinführung sagte Wilhelm Löwenhielm, Senior Director of Business Development für Energiespeichersysteme bei Northvolt, das Unternehmen wolle eine Batterie, die im großen Maßstab mit LFP konkurrenzfähig sei. „Im Laufe der Zeit wird erwartet, dass die Technologie LFP hinsichtlich der Kostenwettbewerbsfähigkeit deutlich übertreffen wird“, sagte er.
Northvolt möchte eine „Plug-and-Play“-Batterie für einen schnellen Markteintritt und eine schnelle Skalierung. „Schlüsselaktivitäten zur Markteinführung dieser speziellen Technologie sind die Skalierung der Lieferkette für batterietaugliche Materialien, die Northvolt derzeit gemeinsam mit Partnern durchführt“, sagte Löwenhielm.
Auch kleinere Anbieter tragen ihren Teil dazu bei, die Natriumionentechnologie zur Kommerzialisierung zu bringen. Faradion, das 2021 vom indischen Mischkonzern Reliance Industries übernommen wurde, gibt an, dass es nun sein Zelldesign der nächsten Generation in die Produktion überführt. „Wir haben eine neue Zelltechnologie und einen neuen Footprint mit einer um 20 % höheren Energiedichte und einer um ein Drittel verlängerten Zyklenlebensdauer im Vergleich zu unserem vorherigen Zelldesign entwickelt“, sagte James Quinn, Chief Executive Officer (CEO) von Faradion.
Die Zellen der ersten Generation des Unternehmens wiesen eine Energiedichte von 160 Wh/kg auf. Im Jahr 2022 sagte Quinn, dass Reliance den Bau einer Natriumionenfabrik im zweistelligen Gigawattbereich in Indien vorsehe. Im Moment scheinen diese Pläne noch in Kraft zu sein. Im August 2023 sagte Mukesh Ambani, Vorstandsvorsitzender von Reliance, auf der Jahreshauptversammlung des Unternehmens, dass sich das Unternehmen „auf die schnelle Kommerzialisierung unserer Natrium-Ionen-Batterietechnologie konzentriert … Wir werden unsere Technologieführerschaft ausbauen, indem wir die Produktion von Natrium-Ionen-Zellen auf Megawatt-Niveau industrialisieren.“ 2025 und danach rasch auf Gigascale ausgebaut“, sagte er.
Produktion
Das Startup Tiamat hat seine Pläne zum Bau einer 5-GWh-Produktionsanlage in der französischen Region Hauts-de-France vorangetrieben. Im Januar 2024 nahm das Unternehmen Eigenkapital- und Fremdkapitalfinanzierungen in Höhe von 30 Millionen Euro (32.4 Millionen US-Dollar) auf und kündigte an, dass es die Finanzierung seines Industrieprojekts in den kommenden Monaten abschließen werde, sodass sich die Gesamtfinanzierung auf rund 150 Millionen Euro belaufen werde. Das Unternehmen, ein Spin-off des französischen Nationalen Zentrums für wissenschaftliche Forschung, wird in seiner Fabrik zunächst Natriumionenzellen für Elektrowerkzeuge und stationäre Speicheranwendungen herstellen, „um die ersten bereits eingegangenen Aufträge zu erfüllen“. Später soll die Produktion von Produkten der zweiten Generation für Anwendungen in batterieelektrischen Fahrzeugen ausgeweitet werden.
Auch in den USA verstärken Branchenakteure ihre Kommerzialisierungsbemühungen. Im Januar 2024 kündigte Acculon Energy die Serienproduktion seiner Natriumionen-Batteriemodule und -pakete für Mobilitäts- und stationäre Energiespeicheranwendungen an und stellte Pläne vor, die Produktion bis Mitte 2 auf 2024 GWh zu skalieren. Unterdessen wollte Natron Energy, ein Spin-off der Stanford University, im Jahr 2023 mit der Massenproduktion seiner Natriumionenbatterien beginnen. Ziel war es, 600 MW Natriumionenzellen in der bestehenden Lithium-Ionen-Anlage des Batterieherstellers Clarios International in Meadowbrook in Michigan herzustellen. Es gab jedoch nur begrenzte Fortschrittsaktualisierungen.
Förderung
Im Oktober 2023 ging Peak Energy mit einer Finanzierung von 10 Millionen US-Dollar und einem Managementteam aus ehemaligen Führungskräften von Northvolt, Enovix, Tesla und SunPower hervor. Das Unternehmen kündigte an, zunächst Batteriezellen zu importieren, und es sei nicht zu erwarten, dass sich dies vor Anfang 2028 ändert. „Für eine kleine Gigawatt-Fabrik braucht man rund eine Milliarde Dollar – denken Sie an weniger als 10 GW“, sagte Landon Mossburg, CEO von Peak Energy, bei der Vorstellung . „Der schnellste Weg, auf den Markt zu kommen, ist also der Aufbau eines Systems mit Zellen, die von einem Drittanbieter erhältlich sind, und China ist der einzige Ort, der Kapazitäten aufbaut, um genügend Zellen zu liefern.“ Das Unternehmen hofft, sich schließlich für inländische Content-Gutschriften gemäß dem US Inflation Reduction Act zu qualifizieren.
Einige Zulieferer, wie etwa das indische Unternehmen KPIT, haben den Markt ohne Produktionspläne betreten. Das Unternehmen für Automobilsoftware und Engineering-Lösungen stellte im Dezember 2023 seine Natrium-Ionen-Batterietechnologie vor und begann mit der Suche nach Fertigungspartnern. Ravi Pandit, Vorsitzender von KPIT, sagte, dass das Unternehmen mehrere Varianten mit einer Energiedichte von 100 Wh/kg bis 170 Wh/kg und möglicherweise bis zu 220 Wh/kg entwickelt habe.
„Als wir mit der Arbeit an Natriumionenbatterien begannen, waren die anfänglichen Erwartungen an die Energiedichte recht niedrig“, sagte er. „Aber in den letzten acht Jahren ist die Energiedichte aufgrund der Entwicklungen, die wir und andere Unternehmen durchgeführt haben, gestiegen.“ Andere sind auf der Suche nach Lieferpartnerschaften. Im vergangenen Jahr gab der finnische Technologiekonzern Wärtsilä – einer der weltweit führenden Integratoren von Batterieenergiespeichersystemen – bekannt, dass er nach potenziellen Partnerschaften oder Übernahmen in diesem Bereich sucht. Damals begann man damit, die Technologie in seinen Forschungseinrichtungen zu testen. „Unser Team ist weiterhin bestrebt, neue Möglichkeiten im Hinblick auf die Diversifizierung von Energiespeichertechnologien zu verfolgen, beispielsweise die Integration von Natriumionenbatterien in unsere zukünftigen stationären Energiespeicherlösungen“, sagte Amy Liu, Leiterin der strategischen Lösungsentwicklung bei Wärtsilä Energy Storage and Optimization, im Februar 2024.
Nearshoring-Möglichkeit
Nach vielen Ankündigungen zur Massenproduktion stehen Natrium-Ionen-Batterien nun am entscheidenden Punkt und das Interesse der Investoren wird über das Schicksal der Technologie entscheiden. Die im November 2023 durchgeführte Marktanalyse von IDTechEx geht von einem erwarteten Wachstum von mindestens 40 GWh bis 2030 aus, wobei eine zusätzliche Produktionskapazität von 100 GWh vom Markterfolg bis 2025 abhängt.
„Diese Prognosen gehen von einem bevorstehenden Boom in der [Natrium-Ionen-Batterie-]Industrie aus, der von kommerziellen Engagements in den nächsten Jahren abhängig ist“, sagte Siddiqi.
Natriumionen könnten eine weitere Chance für küstennahe Lieferketten für saubere Energie bieten, da die erforderlichen Rohstoffe weltweit so leicht verfügbar sind. Es scheint jedoch, dass der Zug den Bahnhof bereits verlassen hat.
„Wie in den frühen Phasen des Marktes für Lithium-Ionen-Batterien wird der größte Engpass für die globale Industrie die Dominanz Chinas sein“, sagte Hartley von Benchmark. „Im Jahr 2023 befanden sich 99.4 % der Kapazität von Natriumionenzellen in China und diese Zahl dürfte bis 90.6 voraussichtlich nur auf 2030 % sinken. Da die Politik in Europa und Nordamerika darauf abzielt, die Lieferketten für Lithium-Ionen-Batterien von China weg zu verlagern, ist das fällig.“ Aufgrund der Abhängigkeit von der inländischen Produktion wird auch eine Verschiebung des Natriumionenmarkts erforderlich sein, um lokale Lieferketten zu schaffen.“
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