Batterien auf Natriumbasis sind im Energiespeichermarkt nicht neu, doch das Interesse an der Technologie nahm Anfang der 2020er-Jahre deutlich zu, als die Branche nach Alternativen zu Lithium suchte. Die Lithiumpreise stiegen in dieser Zeit stark an, und da der Großteil der weltweiten Lithiumraffination in China konzentriert ist, wuchs bei Regierungen und Herstellern weltweit der Anreiz, Batteriekonzepte zu diversifizieren. Natrium ist das sechszehn reichlichste Element auf der Erde, und Natrium-Ionen-Batterien funktionieren und werden auf ähnliche Weise hergestellt wie herkömmliche Lithiumdesigns, was ihre Einführung einfacher macht als bei anderen fortgeschrittenen Technologien wie Flow-Batterien. Doch ebenso wie es verschiedene Lithiumchemien gibt, sind auch verschiedene Natriumbatterietypen für unterschiedliche Anwendungsfälle besser geeignet.

Was ist eine Natriumbatterie?

Batterieherstellung auf Natriumbasis. Credit: Peak Energy

Batterien auf Natriumbasis nutzen reichlich vorhandenes Natrium, um ungiftige Energie bereitzustellen. Sie sind nicht brennbar oder explosiv – sofern der Chemie keine anderen reaktiven Materialien hinzugefügt werden – und können in einem breiten Temperaturbereich betrieben werden. Natriumbatteriezellen können außerdem vollständig bis auf null Ladung entladen werden, ohne das System zu beschädigen.

Beim Laden wandern Natriumionen von der Kathode zur Anode, beim Entladen zurück von der Anode zur Kathode. Die Herstellung ähnelt stark der von Lithiumbatterien: Kathode und Anode werden mit einer Slurry beschichtet, der Zellbeutel mit Elektrolyten gefüllt und anschließend das Modul versiegelt. Hersteller von Natriumzellen übernehmen ähnliche Formfaktoren wie bei Lithiumzellen, um die Einführung zu erleichtern.

Ein wesentlicher Unterschied liegt im Design der Stromableiter. Natriumbatterien verwenden typischerweise nur Aluminium, während Lithiumbatterien sowohl Aluminium als auch Kupfer einsetzen. Der ausschließliche Einsatz von Aluminium verschafft Natriumbatterien theoretisch einen Kostenvorteil. Zudem benötigen Natriumbatterien wegen ihres breiten Betriebstemperaturbereichs und des geringen Brandrisikos keine Heiz-, Kühl- und Brandschutzsysteme, wie sie in Lithium-BESS üblich sind. Dadurch kann die physische Stellfläche eines groß angelegten Natriumspeichers deutlich kleiner ausfallen als bei Lithiumsystemen. Für stationäre Speicher im Netzmaßstab, bei denen Gewicht und Volumen weniger einschränkend sind als bei Elektrofahrzeugen, ist die geringere Energiedichte von Natrium gegenüber Lithium ein geringerer Nachteil.

Welche verschiedenen Natriumbatterietypen gibt es?

Unigrid testet eine NCO-Batterie. Credit: Unigrid

Es gibt einige Varianten von Natriumbatterien, aber die drei häufigsten sind NFM, NCO und NFPP.

Sodium nickel iron manganese (NFM) wird am häufigsten mit lithium cobalt oxide (LCO) verglichen und findet sich in leichten E-Mobilitätsanwendungen wie Rollern und E-Bikes. Wie LCO-Batterien in tragbaren Elektronikgeräten wie Smartphones können auch NFM-Batterien gefährlich sein und Feuer fangen. Für Großanwendungen sind sie nicht geeignet.

Sodium chromium oxide (NCO) wird oft mit lithium nickel manganese cobalt (NMC) verglichen. NCO weist eine hohe Energiedichte auf, jedoch keine besonders lange Zyklenlebensdauer. Diese Schichtmetalloxid-Batterien können in ein thermisches Durchgehen geraten und beim Verbrennen Sauerstoff freisetzen, die Wahrscheinlichkeit dafür ist jedoch deutlich geringer als bei Lithiumbatterien.

Sodium iron-phosphate pyrophosphate (NFPP) wird typischerweise mit lithium iron phosphate (LFP) verglichen. Sie bieten eine bessere Zyklenlebensdauer und höhere thermische Toleranzen und bergen nahezu kein Brandrisiko. Der US-Hersteller Alsym fügt seinem NFPP+-Design einen nicht brennbaren Elektrolyten hinzu, um das Brandrisiko weiter zu senken. Im Vergleich zu LFP haben NFPP-Designs eine geringere Energiedichte, benötigen jedoch weniger HVAC und andere BESS-Zusatzkomponenten.

Wo werden Natriumbatterien hergestellt und installiert?

Wie bei jedem Batterieprodukt dominiert China derzeit die Produktion. Die Herstellung von Natriumbatterien lässt sich problemlos in eine LFP-Produktionslinie integrieren, und viele etablierte chinesische Lithiummarken haben bereits stillliegende oder überschüssige Linien in ihren Werken auf Natriumdesigns umgestellt. In den Vereinigten Staaten laufen einige wenige F&E-Aktivitäten im Bereich Natrium-Ionen, und die reichliche chemische Basis der Batterie sowie der Mangel an kritischen Materialien bedeuten, dass die USA die Produktion von Natrium-Ionen-Energiespeichersystemen rasch ins Inland verlagern könnten.

Das in Boston ansässige Unternehmen Alsym entwickelt NFPP-Zellendesigns, und der Großspeicherentwickler ESS kündigte kürzlich an, Alsym-Technologie bei seiner kommenden Natrium-Ionen-Batterieeinführung zu nutzen.

"Our first launch is going to be with NFPP because that’s a good technology. It follows the same characteristics that ESS has followed since its birth — no risk of fires and it’s safe," said Randy Selesky, ESS chief commercial officer.

Der UC-San-Diego-Spin-off Unigrid entwickelt NCO-Zellen und gab eine Zusammenarbeit mit dem Hersteller Syntropic Power bekannt, um Natrium-Ionen-Batterien in den Vereinigten Staaten zu produzieren. Die beiden Unternehmen zielen auf den Wohnungsmarkt ab, weil dieser bereit für Lithium-Alternativen ist, sagte Unigrid-Mitgründer und CEO Darren Tan.

A large-scale NFPP battery from Peak Energy.

"We already have water storage at home, we have food storage. I think it’s very conceivable in the next two decades that everyone may have energy storage at home, as long as the energy storage is as affordable, as safe and as reliable as a refrigerator," he said. "This is an opportunity for sodium-ion."

Peak Energy will 2027 in Sacramento eine Anlage mit einer jährlichen Fertigungskapazität von 4 GWh eröffnen, die 3,1-MWh-NFPP-Systeme herstellen wird. Das Unternehmen verwendet derzeit importierte Zellen, aber die Führung arbeitet bereits an weiteren Komponenten, sagte Peak-Chefwissenschaftler Brandon Kelly.

"You can make hard carbon, which is the anode, from almost anything. Right now, we use coconuts. We’re going to do some peach pits and other random stuff. It makes for funny supply chain conversations," he said. "But you can make it out of coal, you can make it out of petroleum byproducts, which are things we’re good at here in the States. Even though it’s not something that is scaled today, it’s something that will be quite easy for us to do [in the United States] relative to lithium."

US-Unternehmen würden keine Fertigungsinfrastruktur aufbauen, wenn es keine Nachfrage nach der neuen Batterietechnologie gäbe. Auch wenn die derzeit installierte Kapazität noch gering ist, sagten Unternehmensvertreter Solar Power World, die Branche stehe am Anfang von etwas Großem.

"Last year, there was over 3 GWh of sodium produced," Kelly said. "There’s a lot of people that feel it’s more of a lab technology, but the reality is it’s commercial-quality cells that already hit on their performance in that large format that you can get at the gigawatt-hour scale. It’s ready for prime time."