Wie Natrium-Ionen-Batterien Elektroautos günstiger machen könnten
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Wie Natrium-Ionen-Batterien Elektroautos günstiger machen könnten
Fahroni/Alamy Stock Photo
Lithium-Ionen ist die leistungsstärkste kommerziell erhältliche Batterietechnologie. Aber die Nachfrage nach diesen Batterien steigt rasant und die Kosten für die Rohstoffe für ihre Herstellung sind hoch – allein der Preis für Lithiumcarbonat hat sich zwischen Ende 2020 und 2022 verzehnfacht. Über 84 % der bekannten Lithiumvorkommen konzentrieren sich auf Argentinien, Australien, Chile und China Die Sicherung der Rohstoffe für Lithium-Ionen-Batterien kann für Hersteller schwierig und teuer sein.
Glücklicherweise könnten Batterien, die auf Natriumionen anstelle von Lithium basieren, diese Probleme lösen – und letztendlich zu günstigeren Elektrofahrzeugen führen.
Natrium-Ionen versus Lithium-Ionen
Eine Batterie kann man sich wie ein Sandwich vorstellen: Ihre beiden Elektroden (Kathode und Anode genannt) sind wie Brotscheiben, die eine Elektrolytfüllung enthalten. Der Elektrolyt ist typischerweise eine Flüssigkeit, die jede der Elektroden durchtränkt und eine hohe Konzentration an darin gelösten Ionen enthält.
Beim Aufladen der Batterie bewegen sich die Ionen in Richtung Anode und werden dort gespeichert, bis die Energie benötigt wird. Wenn das Auto eingeschaltet wird, verschieben sie sich zurück in die andere Richtung in die Kathode und erzeugen durch den externen Stromkreis einen elektrischen Strom, der die Motoren antreibt, die das Auto vorwärts treiben.
Lithium ist das am besten zu verwendende Element, da die Ionen klein und leicht sind. Dadurch können sie dicht in den Elektroden gepackt werden und sich schnell bewegen, sodass Batterien entstehen, die in nur 20 Minuten aufgeladen werden können.
Um die Klimakrise zu überwinden, müssen Autos, die Benzin und Diesel verbrennen, durch erneuerbare Alternativen ersetzt werden. Elektrofahrzeuge (EVs) werden allgemein als die beste verfügbare Option angesehen.
Dies liegt daran, dass Elektrofahrzeuge mit erneuerbarem Strom aus dem Netz betrieben werden können, sodass keine fossilen Brennstoffe erforderlich sind. Sie können diese Energie mit einem Wirkungsgrad von nahezu 100 % speichern und abgeben, während der Verbrennungsmotor in den meisten modernen Autos nur etwa 30 % der Energie aus Kraftstoff sinnvoll umwandeln kann. Elektrofahrzeuge können außerdem tausende Male aufgeladen werden und bieten eine ähnliche Lebensleistung wie herkömmliche Autos.
Möglich ist diese technische Meisterleistung dank des wiederaufladbaren Akkus.
Aber knapp an zweiter Stelle steht Natrium.
Natrium befindet sich im Periodensystem direkt unter Lithium und weist viele chemische Eigenschaften auf, beispielsweise die Fähigkeit, sich ebenso schnell durch Batteriematerialien zu bewegen. Aber es profitiert davon, dass es auf der Erde 1.000-mal häufiger vorkommt als Lithium.
Das Schlüsselmaterial für die Herstellung von Natriumionenbatterien, Natriumcarbonat (oder Soda), kommt entweder in Gesteinen und Salzlaken vor oder kann in Fabriken aus Kalkstein und Salz hergestellt werden. Beide Mineralien sind weithin zugänglich und praktisch unerschöpflich.
Der Wechsel von Lithium- zu Natrium-Ionen-Batterien könnte die Abhängigkeit von kritischen Mineralien verringern und zu günstigeren Batteriesätzen führen. Aber sind sie schon gut genug, um Elektrofahrzeuge anzutreiben?
Mit einer einzigen vollen Ladung können die neuesten Lithium-Ionen-Batterien ein Elektrofahrzeug etwa 300–400 Meilen weit fahren.
Leider sind Natriumionen dreimal schwerer und ein Drittel größer als Lithiumionen. Das bedeutet, dass die Elektroden in Natrium-Ionen-Batterien dicker und schwerer sein müssen, um die gleiche Energiemenge zu speichern.
Kostenvorteile
Jüngste Innovationen führen dazu, dass Natriumbatterien zunehmend mit einigen Lithium-Ionen-Systemen konkurrieren, insbesondere solchen, die Lithium-Eisenphosphat-Kathoden verwenden, die in der Branche als LFP bekannt sind. Obwohl LFP-haltige Batterien Energie nicht so dicht speichern können wie die beste Technologie ihrer Klasse, gewinnen diese Batterien zunehmend an Bedeutung, da sie in der Regel etwa 20 % günstiger sind.
Während eine Reihe von Natriumionen-Kathoden entwickelt werden, verbrauchen die Batterien mit dem höchsten Energieverbrauch Schichtoxid-Kathoden. Diese Batterien sind gut genug, um günstigere Pkw-Elektrofahrzeuge mit einer Reichweite von 150 bis 250 Meilen zu liefern. Aktuelle Analysen haben gezeigt, dass die neuesten Natrium-Ionen-Batteriepakete aufgrund ihrer günstigeren Rohstoffe sogar die Kosten von LFP-Batterien unterbieten können.
Natriumhaltige Materialien sind weit verbreitet und praktisch unerschöpflich. Timo Volz/Unsplash, CC BY
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Quito, Ecuador, Sudamerica
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Das Ergebnis ist, dass die Natrium-Ionen-Technologie kostengünstige Elektrofahrzeuge mit ausreichender Reichweite liefern kann, die insbesondere für Pendler und Stadtfahrer geeignet sind.
China hat dieses Potenzial bereits erkannt. Das chinesische Batterieunternehmen CATL gab kürzlich bekannt, dass es beabsichtigt, den chinesischen Automobilhersteller Chery mit Natrium-Ionen-Batterien für ein neues Elektrofahrzeugmodell zu beliefern. Zwei weitere chinesische Hersteller, HiNa und JAC Group, haben ebenfalls ein natriumbetriebenes Modell mit einer Reichweite von 155 Meilen angekündigt, das Berichten zufolge in China für rund 10.000 US-Dollar (8.220 £) verkauft wird.
Die Aussichten für Natriumionen-Elektrofahrzeuge
Es besteht noch erheblicher Spielraum für die Verbesserung der Energiedichte von Natrium-Ionen-Batterien.
Ein Flaschenhals ist die Kathode. Die besten geschichteten Oxid-Kathodenmaterialien können nur etwa halb so viele Natriumionen speichern wie die Anode, was bedeutet, dass doppelt so viel Kathodenmaterial verwendet werden muss, um beide Seiten des Sandwichs auszugleichen, was das Batteriegewicht erhöht.
Fuente: https://theconversation.com/how-sodium-ion-
batteries-could-make-electric-cars-cheaper-207342
Robert House
Derzeit wird an der Entwicklung neuer Kathodenmaterialien geforscht, die mehr Natriumionen in ihrer Struktur speichern und eine höhere Ausgangsspannung liefern können, was zu einer verbesserten Reichweite von Elektrofahrzeugen führt.
Nun beginnen Natrium-Ionen-Batterien auf dem Markt für Elektrofahrzeuge Fuß zu fassen. Wie weit sie im Wettbewerb mit Lithiumbatterien mit kürzerer Reichweite kommen werden, bleibt abzuwarten und hängt vom wirtschaftlichen Gegenwind und den Fortschritten in der Materialwissenschaft ab.
Zumindest können Sie sicher sein, dass Sie noch viel mehr über Natriumionen-Elektrofahrzeuge hören werden.
Mit Natriumionenbatterien lassen sich günstigere Elektrofahrzeuge (wenn auch mit geringerer Reichweite) herstellen. Chuttersnap/Unsplash, CC BY
