Durchbruch bei Natrium-Ionen-Batterien mit Vanadium: Energiedichte auf Lithium-Niveau bei höherer Spannungsstabilität

Die wissenschaftlichen Bemühungen, kostengünstige Natrium-Ionen-Batterien als praktikable Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge und Energiespeicher zu entwickeln, sind vergleichbar mit den intensiven Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen, die in den letzten zehn Jahren in LiFePO4-Batterien investiert wurden.

Phosphatzellen, die ohne teures Nickel oder Kobalt auskommen, sind kontinuierlich billiger geworden, was zur Verbreitung tragbarer Powerstations wie der Solix-Serie von Anker geführt hat, die bei Amazon erhältlich sind. Auch die Energiedichte ist gestiegen und die Ladeleistung bei niedrigen Temperaturen hat sich verbessert. Das geht so weit, dass LFP immer mehr zur bevorzugten Batterietechnologie für serienmäßige E-Autos und Energiespeicherlösungen wird.  

Ähnlich verhält es sich im Bereich der Natrium-Ionen-Batterien. Das Ausgangsmaterial ist 50 Mal billiger als Lithium und so reichlich vorhanden, dass es aus Meerwasser gewonnen werden kann. Mehr als zehn Jahre Forschung, um mit Natrium-Ionen eine praktikable Alternative zu Lithium in Batterien zu schaffen, tragen nun erste Früchte.

Die ersten Elektrofahrzeuge und großen Energiespeichersysteme, die auf Natrium-Ionen-Batterien basieren, sind bereits im Einsatz. Die beiden größten Batteriehersteller, CATL und BYD, setzen verstärkt auf deren Produktion - und das, obwohl der Lithiumpreis im vergangenen Jahr dramatisch gefallen ist.

Auch der Schwachpunkt der Natrium-Ionen-Batterien - die Energiedichte - wird zunehmend angegangen, da immer mehr Forschungsergebnisse aus dem Labor in die Produktion überführt werden. Ein aktuelles Beispiel ist die bahnbrechende Entdeckung einer Natrium-Vanadium-Phosphat-Verbindung (NaxV₂(PO₄)₃), die von einer Gruppe von Wissenschaftlern der Universität Houston und mehrerer französischer Universitäten von der Theorie in die Praxis überführt wurde.

Das Vanadium-Phosphat-Material erhöht die theoretische Energiedichte von derzeit durchschnittlich 396 Wh/kg auf 458 Wh/kg und nähert sich damit den Lithium-Ionen-Batterien an. Darüber hinaus ermöglicht der Einsatz von Vanadium, dass die Zellen auch bei schnellem Laden und Entladen stabil bleiben und eine höhere Spannung von 3,7 V liefern als die derzeit verwendeten Zellen.  

Den Forschern zufolge ist die "kontinuierliche Spannungsänderung ein Schlüsselfaktor", da sie die Batterie energieeffizienter macht, ohne die Stabilität der Elektroden zu beeinträchtigen. Das Team spricht sogar von einem „Game-Changer“ für die Kommerzialisierung der Natrium-Ionen-Batteriechemie und weist darauf hin, dass das proprietäre Verfahren auch auf andere potenzielle Elektrodenmaterialien anwendbar ist.