Natrium-Ionen-Akkumulator

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Illustration des verschiedenartigen Aufbaus der Natrium-Ionen-Akkumulatoren
Mehrere Natrium-Ionen-Akkumulatoren in Form grüner Boxen

Der Natrium-Ionen-Akkumulator, englisch sodium-ion battery (abgekürzt SIB), auch als Salzwasserbatterie bekannt, ist ein Typ von Akkumulator, welcher ähnlich wie der Lithium-Ionen-Akkumulator aufgebaut ist, aber statt Lithium das Alkalimetall Natrium als Ionenquelle verwendet.[1]

Eigenschaften[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Eine Besonderheit des Natrium-Ionen-Akkumulators ist, dass er tiefentladefest ist und bis zu einer Entladeschlussspannung von 0 V entladen werden kann, ohne Schaden zu nehmen. Die meisten Akkumulatorentypen, wie die Gruppe der Lithium-Ionen-Akkumulatoren, sind nicht tiefentladefest.

Die Energiedichte von Natrium-Ionen-Akkumulatoren liegt mit 12 bis 24 Wattstunden pro Liter weit unterhalb derer von Blei- oder Lithium-Ionen-Akkumulatoren,[2] was zwar bei ortsfesten Anlagen kein Problem darstellt, die Natrium-Ionen-Akkus jedoch für mobile Anwendungen ungeeignet macht.

Die entnehmbare Kapazität ist stark von der Entladestromstärke abhängig. Deshalb eignen sich Natrium-Ionen-Akkus eher für Anwendungen, welche geringe bis mittlere Ströme benötigen, dies jedoch über lange Zeiträume.[2]

Natrium-Ionen-Akkumulatoren sind aufgrund des leichter verfügbaren Ausgangsstoffes Natrium in den Grundmaterialien preisgünstiger als die auf Lithium basierenden Akkumulatoren. Sie weisen dafür aber gegenüber diesen eine geringere Energiedichte und eine geringere Zyklenfestigkeit auf.[1] Auch in Sachen Nachhaltigkeit gilt der Einsatz von Natrium als attraktivste Alternative zu Lithium; zudem lassen erste Abschätzungen erwarten, dass Natrium-Ionen-Technik um etwa 30 % günstiger sein könnte als Lithium-Ionen-Technik.[3]

Mit Stand 2017 spielen Natrium-Ionen-Akkumulatoren wirtschaftlich nur eine geringe Rolle, sind aber in verschiedenen Formen und Variationen Gegenstand von intensiven Forschungsarbeiten. Aufgrund der Verwendung im Überfluss vorkommender und damit günstiger Materialien gelten sie als vielversprechende Akkumulatorbauform für Energiespeicher, bei denen es nicht auf das Gewicht des Akkumulators ankommt, beispielsweise stationäre Batterie-Speicherkraftwerke für Windenergie und Solarenergie.[4][5] Der Akkumulatortyp wird unter anderem mit Bezeichnungen wie Salzwasserbatterie, englisch Salt water battery, versucht zu vermarkten.[6]

Im Jahr 2018 spielen Natrium-Ionen-Akkumulatoren wirtschaftlich eine größere Rolle, da die Kosten sich den Lithium Akku angleichen und durch die einfachere Bauweise bei höheren Stückzahlen günstigere Preise zu erwarten sind.[7]

Chemie[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Bei der Gruppe der Natrium-Ionen-Akkumulatoren gibt es eine große Vielfalt an eingesetzten Materialien für Anode, Kathode und Elektrolyt, welche die Parameter des Akkumulators wesentlich bestimmen. Als Elektrolyt werden unter anderem Natriumsalze wie Natriumperchlorat, gelöst in wasserfreien Lösungsmitteln wie Propylencarbonat, neben verschiedenen Additiven und Bindermaterialien eingesetzt. Als Anodenmaterial wird unter anderem Kohlenstoff in Form von Graphen eingesetzt – metallisches Natrium ist als Anodenmaterial zwar prinzipiell möglich, das Alkalimetall wird allerdings durch organische Substanzen im Elektrolyt chemisch angegriffen. Als Kathodenmaterialien kommen verschiedene aus Natrium bestehende Materialien wie Phosphate und Diphosphate zum Einsatz, beispielsweise Natriumeisenphosphat.

Je nach verwendeten Materialien ergeben sich daraus Zellspannungen im Bereich zwischen 2 V und 3,5 Volt.[1]

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Bruno Scrosati, Jürgen Garche, Werner Tillmetz: Advances in Battery Technologies for Electric Vehicles. 1. Auflage. Woodhead Publishing, 2015, ISBN 978-1-78242-377-5.

Nachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. a b c Jang-Yeon Hwang, Seung-Taek Myung, Yang-Kook Sun: Sodium-ion batteries: present and future. In: Chemical Society Reviews. Band 46, Nr. 12, Juni 2017, S. 3529 - 3614, doi:10.1039/C6CS00776G.
  2. a b Photovoltaik.eu: Die Salzwasserbatterie, Artikel vom 31. August 2015
  3. D. Larcher, J-M. Tarascon: Towards greener and more sustainable batteries for electrical energy storage. In: Nature Chemistry. Band 7, 2015, S. 19–29, doi:10.1038/NCHEM.2085.
  4. Huilin Pan et al.: Room-temperature stationary sodium-ion batteries for large-scale electric energy storage. In: Energy and Environmental Science. Band 6, 2013, S. 2338–2360, doi:10.1039/c3ee40847g.
  5. Verònica Palomares: Na-ion batteries, recent advances and present challenges to become low cost energy storage systems. In: Energy and Environmental Science. Band 5, 2012, S. 5884–5901, doi:10.1039/c2ee02781j.
  6. Die Salzwasserbatterie. Abgerufen am 11. Dezember 2017.
  7. Solarspeicher-Alternative: Batterie aus Salz und Wasser. Abgerufen am 27. Januar 2019.