Natrium-Ionen-Akkumulator

Die Natrium-Ionen-Batterie (NIB oder SIB) ist eine wiederaufladbare Batterie, die der Lithium-Ionen-Batterie ähnelt, jedoch Natrium-Ionen (Na⁺) als Ladungsträger verwendet. Das Funktionsprinzip und der Zellaufbau sind nahezu identisch mit denen der kommerziell weit verbreiteten Lithium-Ionen-Batterietypen, jedoch werden Natriumverbindungen anstelle von Lithiumverbindungen verwendet. ⓘ

Natrium-Ionen-Batterien stießen in den 2010er und 2020er Jahren auf großes akademisches und kommerzielles Interesse als mögliche ergänzende Technologie zu Lithium-Ionen-Batterien, vor allem aufgrund der ungleichmäßigen geografischen Verteilung, der hohen Umweltbelastung und der hohen Kosten vieler der für Lithium-Ionen-Batterien benötigten Elemente. Dazu gehören vor allem Lithium, Kobalt, Kupfer und Nickel, die für viele Arten von Natrium-Ionen-Batterien nicht unbedingt erforderlich sind. Der größte Vorteil von Natrium-Ionen-Batterien ist der große natürliche Reichtum an Natrium. Dadurch wäre die kommerzielle Produktion von Natrium-Ionen-Batterien weniger kostspielig als die von Lithium-Ionen-Batterien. ⓘ

Ab 2020 haben Natrium-Ionen-Batterien einen sehr geringen Anteil am Batteriemarkt. Die Technologie wird in einem Bericht der United States Energy Information Administration über Batteriespeichertechnologien nicht erwähnt. In Elektrofahrzeugen werden keine Natriumionenbatterien verwendet. Die geringe Energiedichte und die begrenzte Anzahl von Lade- und Entladezyklen stellen ein Hindernis für die Einführung dar. ⓘ

Illustration des verschiedenartigen Aufbaus der Natrium-Ionen-Akkumulatoren ⓘ

Der Natrium-Ionen-Akkumulator, englisch sodium-ion battery (abgekürzt SIB), dient – wie alle Akkumulatoren – der Speicherung elektrischer Energie und nutzt dabei Ionen des Alkalimetalls Natrium. ⓘ

Geschichte

Natrium ist wesentlich preiswerter als Lithium und weltweit leicht und praktisch unbegrenzt verfügbar. Daraus ergibt sich ein Kostenvorteil bei den Rohmaterialien der Batterieherstellung. Bedeutsamer ist jedoch, dass manche Bauformen von Natrium-Ionen-Akkumulatoren ohne Kupfer, Cobalt und Nickel auskommen können. Beispielsweise ergab eine erste Abschätzung, dass die Natrium-Ionen-Technik günstiger ist als die Lithium-Ionen-Technik. Auch hinsichtlich der Nachhaltigkeit und der Handhabung (siehe: Gefahren beim Umgang mit Lithium-Ionen-Akkus) sind Natriumzellen eine vorteilhafte Alternative. Hinzu kommt, dass sich die Zellen auf denselben Anlagen wie Lithium-Ionen-Akkumulator fertigen lassen. 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. ⓘ

Funktionsprinzip

Natrium-Ionen-Batteriezellen bestehen aus einer Kathode, die auf einem natriumhaltigen Material basiert, einer Anode (nicht notwendigerweise ein Material auf Natriumbasis) und einem flüssigen Elektrolyten, der dissoziierte Natriumsalze in polaren protischen oder aprotischen Lösungsmitteln enthält. Beim Aufladen werden Natriumionen aus der Kathode entnommen und in die Anode eingefügt, während die Elektronen durch den externen Stromkreis wandern; beim Entladen erfolgt der umgekehrte Prozess, bei dem die Natriumionen aus der Anode entnommen und wieder in die Kathode eingefügt werden, während die Elektronen durch den externen Stromkreis wandern und nützliche Arbeit verrichten. ⓘ

Werkstoffe

Da sich die physikalischen und elektrochemischen Eigenschaften von Natrium von denen von Lithium unterscheiden, sind die allgemein für Lithium-Ionen-Batterien verwendeten Materialien oder sogar ihre natriumhaltigen Analoga nicht immer für Natrium-Ionen-Batterien geeignet. ⓘ

Anoden

Die in kommerziellen Lithium-Ionen-Batterien verwendete Anode, Graphit, kann in Natrium-Ionen-Batterien nicht verwendet werden, da sie das größere Natrium-Ion nicht in nennenswerten Mengen speichern kann. Stattdessen ist ein ungeordnetes Kohlenstoffmaterial, das aus einer nicht graphitierbaren, nicht kristallinen und amorphen Kohlenstoffstruktur besteht (so genannter "Hartkohlenstoff"), die derzeit bevorzugte Natrium-Ionen-Anode der Wahl. Die Natriumspeicherung von Hartkohle wurde im Jahr 2000 entdeckt. Es wurde gezeigt, dass diese Anode 300 mAh/g liefert, wobei ein abfallendes Potenzialprofil oberhalb von ⁓0,15 V gegen Na/Na⁺ ungefähr die Hälfte der Kapazität ausmacht und ein flaches Potenzialprofil (ein Potenzialplateau) unterhalb von ⁓0,15 V gegen Na/Na⁺. Eine solche Speicherleistung ist ähnlich wie bei der Lithiumspeicherung in Graphitanoden für Lithium-Ionen-Batterien, wo Kapazitäten von 300-360 mAh/g typisch sind. Die erste Natrium-Ionen-Zelle unter Verwendung von Hartkohle wurde 2003 demonstriert und zeigte eine hohe durchschnittliche Spannung von 3,7 V während der Entladung. ⓘ

Während Hartkohle aufgrund ihrer ausgezeichneten Kombination aus hoher Kapazität, niedrigen Arbeitspotenzialen und guter Zyklenstabilität eindeutig die bevorzugte Anode ist, gab es einige andere bemerkenswerte Entwicklungen bei Anoden mit geringerer Leistung. Im Jahr 2015 wurde entdeckt, dass Graphit durch Kointerkalation mit Lösungsmitteln in Elektrolyten auf Etherbasis Natrium speichern kann: Es wurden niedrige Kapazitäten um 100 mAh/g bei relativ hohen Arbeitspotenzialen zwischen 0 und 1,2 V gegen Na/Na⁺ erzielt. Einige Natriumtitanat-Phasen wie Na₂Ti₃O₇ oder NaTiO₂ können bei niedrigen Arbeitspotenzialen (< 1 V gegen Na/Na⁺) Kapazitäten von etwa 90-180 mAh/g liefern, allerdings ist die Zyklenstabilität derzeit auf einige hundert Zyklen begrenzt. Es gibt zahlreiche Berichte über Anodenmaterialien, die Natrium über einen Legierungsreaktionsmechanismus und/oder einen Umwandlungsreaktionsmechanismus speichern. Die Legierung eines Natriummetalls bringt den Vorteil mit sich, dass der Natriumionentransport reguliert und die Akkumulation des elektrischen Feldes an der Spitze der Natriumdendriten abgeschirmt wird. In einer Studie von Wang et al. wurde eine selbstregulierende Legierungsgrenzfläche aus Nickel-Antimon (NiSb) während des Entladungsprozesses chemisch auf ein Na-Metall aufgebracht. Es wurde festgestellt, dass diese dünne NiSb-Schicht die gleichmäßige elektrochemische Beschichtung von Na-Metall reguliert, die Überspannung senkt und eine dendritenfreie Beschichtung/Abstreifung von Na-Metall über 100 Stunden bei einer hohen Flächenkapazität von 10 mAh cm-2 ermöglicht. In einer anderen Untersuchung stellten Li et al. Natrium und metallisches Zinn Na15Sn4/Na durch eine spontane Reaktion her. Es wurde festgestellt, dass diese Anode bei einer sehr hohen Temperatur von 90 °C in einem Karbonat-Elektrolyten bei 1 mA cm-2 mit 1 mA h cm-2 betrieben werden kann, und die vollständige Zelle wies eine gleichmäßige Zyklusrate von 100 Zyklen bei einer Stromdichte von 2 °C auf. Obwohl Natrium-Metall-Legierungen in der Lage sind, bei extremen Temperaturen zu arbeiten und das dendritische Wachstum zu regulieren, schränkt die starke Beanspruchung des Materials bei wiederholten Speicherzyklen ihre Zyklenstabilität stark ein, insbesondere bei großformatigen Zellen, und stellt eine große technische Herausforderung dar, die durch einen kostengünstigen Ansatz überwunden werden muss. Wie im Dezember 2020 bekannt gegeben wurde, erreichten Forscher der Tokyo University of Science mit Magnesiumpartikeln in Nanogröße 478 mAh/g. Im Jahr 2021 erprobten Forscher aus China eine MoS2-Schichtstruktur als neue Art von Anode, die in einer Natrium-Ionen-Batterie eingesetzt werden kann. Mithilfe eines Auflösungs-Rekristallisationsverfahrens wurden mit Kohlenstoff beschichtete MoS₂-Nanoblätter dicht auf der Oberfläche von N-dotierten Kohlenstoffnanoröhren aus Polyimid angebracht. Diese Art von C-MoS₂/NCNTs Anode kann eine Leistung von 348mAh/g bei 2A/g erreichen, mit einer hervorragenden Zyklenstabilität von 82% Kapazität nach 400 Zyklen bei 1A/g. MoS₂-Nanoblätter mit geschichteter Struktur sind eine relativ hervorragende Anode, die als Anoden existiert. TiS2 wird wegen seiner einzigartigen Schichtstruktur auch als repräsentatives Material für Natrium-Ionen-Batterien gewählt, muss aber noch das Problem des Kapazitätsabfalls überwinden, da TiS2 unter einer schlechten elektrochemischen Kinetik und einer relativ schwachen strukturellen Stabilität leidet. Im Jahr 2021 setzten Forscher aus Ningbo, China, vorpassiviertes TiS2 ein, um die Mängel von TiS2 zu beheben, und erzielten damit eine überragende Ratenkapazität von 165,9 mAh/g und eine längere Zyklenstabilität von 85,3 % Kapazität nach 500 Zyklen. ⓘ

Janus-Partikel aus Graphen wurden in experimentellen Natrium-Ionen-Batterien verwendet, um die Energiedichte zu erhöhen. Eine Seite bietet Wechselwirkungsstellen, während die andere für die Trennung zwischen den Schichten sorgt. Die Energiedichte erreichte 337 mAh/g. ⓘ

Kathoden

Seit 2011 wurden erhebliche Fortschritte bei der Entwicklung von Natrium-Ionen-Kathoden mit hoher Energiedichte erzielt. Wie alle Lithium-Ionen-Kathoden speichern auch Natrium-Ionen-Kathoden Natrium über einen Interkalationsreaktionsmechanismus. Aufgrund ihrer hohen Anzapfungsdichte, ihres hohen Betriebspotenzials und ihrer hohen Kapazität haben Kathoden auf der Basis von Natrium-Übergangsmetalloxiden die größte Aufmerksamkeit erhalten. Aus dem Bestreben heraus, die Kosten niedrig zu halten, wurden umfangreiche Forschungsarbeiten durchgeführt, um kostspielige Elemente wie Co, Cr, Ni oder V in den Oxiden zu vermeiden oder zu reduzieren. Ein Na_2/3Fe_1/2Mn_1/2O2-Oxid des P₂-Typs aus erdreichreichen Fe- und Mn-Ressourcen speicherte 2012 nachweislich 190 mAh/g bei einer durchschnittlichen Entladespannung von 2,75 V gegen Na/Na⁺ unter Verwendung des Fe^3+/4+-Redoxpaars - eine solche Energiedichte war gleichwertig oder besser als bei kommerziellen Lithium-Ionen-Kathoden wie LiFePO₄ oder LiMn₂O₄. Der Natriummangel der Kathode führte jedoch zu Einbußen bei der Energiedichte in praktischen Vollzellen. Um den Natriummangel von P2-Oxiden zu überwinden, wurden erhebliche Anstrengungen unternommen, um Na-reichere Oxide zu entwickeln. Ein gemischtes P3/P2/O3-Oxid vom Typ Na0,76Mn0,5Ni0,3Fe0,1Mg0,1O₂ lieferte 2015 nachweislich 140 mAh/g bei einer durchschnittlichen Entladungsspannung von 3,2 V gegenüber Na/Na⁺. Insbesondere das O3-Oxid vom Typ NaNi_1/4Na_1/6Mn_2/12Ti_4/12Sn_1/12O₂ kann 160 mAh/g bei einer durchschnittlichen Spannung von 3. 22 V gegen Na/Na⁺ liefern, während eine Reihe von dotierten Oxiden auf Ni-Basis mit der Stöchiometrie NaaNi(1-x-y-z)MnxMgyTizO₂ 157 mAh/g in einer Natrium-Ionen-"Vollzelle" mit einer Anode aus Hartkohle (im Gegensatz zur "Halbzelle", die verwendet wird, wenn die Anode aus Natriummetall besteht) bei einer durchschnittlichen Entladespannung von 3,2 V unter Verwendung des Ni^2+/4+-Redoxpaars liefern kann. Es gibt einen Bericht über Na0,67Mn1-xMgxO₂ als Kathodenmaterial für Natrium-Ionen-Batterien, die eine Entladekapazität von 175 mAh/g für Na0,67Mn0,95Mg0,05O₂ aufweisen. Es ist hervorzuheben, dass die Elemente dieser Kathode nur Elemente enthalten, die reichlich auf der Erdoberfläche zu finden sind, so dass dies sehr ermutigend für die zukünftige Entwicklung der Natrium-Ionen-Batterie ist. Kupfer kann auch ein Ersatz für die Elemente der Natrium-Ionen-Batterie sein. Ein Bericht über kupfersubstituierte Na0.67Ni0.3-xCuxMn0.7O₂-Kathodenmaterialien für Natrium-Ionen-Batterien zeigt eine hohe reversible Kapazität mit besserer Kapazitätserhaltung. Im Gegensatz zur oben erwähnten kupferfreien Na0.67Ni0.3-xCuxMn0.7O₂-Elektrode liefern die so hergestellten Cu-substituierten Kathoden bessere Natrium-Speichereigenschaften. Da sie jedoch Cu enthalten, muss die Kathode mit Cu teurer sein als die Kathode ohne, was zu einem geringeren Handelswert führt. ⓘ

Neben den Oxidkathoden gibt es ein Forschungsinteresse an der Entwicklung von Kathoden auf der Basis von Polyanionen. Während bei diesen Kathoden aufgrund des sperrigen Anions eine geringere Anzapfungsdichte zu erwarten ist als bei Kathoden auf Oxidbasis (was sich negativ auf die Energiedichte der resultierenden Natrium-Ionen-Batterie auswirken würde), führt die stärkere kovalente Bindung des Polyanions bei vielen dieser Kathoden zu einer robusteren Kathode, was sich positiv auf die Lebensdauer und Sicherheit auswirkt. Unter diesen auf Polyanionen basierenden Kathoden haben Natrium-Vanadium-Phosphat und Fluorophosphat eine ausgezeichnete Zyklenstabilität und im Falle von Fluorophosphat eine akzeptabel hohe Kapazität (⁓120 mAh/g) bei hohen durchschnittlichen Entladespannungen (⁓3,6 V gegen Na/Na⁺) gezeigt. Es gibt auch mehrere vielversprechende Berichte über die Verwendung verschiedener Preußischblau- und Preußischblau-Analoga (PBA) als Natrium-Ionen-Kathoden, wobei das patentierte rhomboedrische Na₂MnFe(CN)₆ mit einer Kapazität von 150-160 mAh/g und einer durchschnittlichen Entladespannung von 3,4 V besonders attraktiv ist und das rhomboedrische Preußischweiß Na_1.88(5)Fe[Fe(CN)₆]-_0.18(9)H₂O eine Anfangskapazität von 158 mAh/g aufweist und nach 50 Zyklen noch 90 % Kapazität besitzt. ⓘ

Elektrolyte

Bei der Gruppe der Natrium-Ionen-Akkumulatoren mit organischen Elektrolyten, die zurzeit intensiv erforscht werden, gibt es eine große Vielfalt an vorgeschlagenen Materialien für Anode, Kathode und Elektrolyt. Daraus ergeben sich viele denkbare Kombinationen, die zu unterschiedlichen Akkumulator-Parametern führen, zu denen vor allem die Zellspannung gehört. Die am häufigsten vorgeschlagenen Elektrolyte für Natrium-Ionen-Akkumulatoren sind, analog zu Lithium-Ionen-Akkumulatoren, Lösungen von Natriumsalzen wie zum Beispiel Natriumhexafluorophosphat. Das häufig in akademischer Forschung verwendete Natriumperchlorat ist aufgrund seiner Explosionsgefahr für kommerzielle Zwecke ungeeignet. Das Lösungsmittel besteht meist aus binären oder tertiären Mischungen von verschiedenen organischen Carbonaten wie Propylencarbonat, Ethylencarbonat und Diethylcarbonat. Je nach erwünschten Eigenschaften kommen auch kurzkettige Ether gelegentlich zum Einsatz. Als Anodenmaterial wird unter anderem Kohlenstoff in Form von Graphen eingesetzt – metallisches Natrium ist als Anodenmaterial zwar prinzipiell möglich, das Alkalimetall wird allerdings durch die Substanzen im Elektrolyt chemisch angegriffen. Als Kathodenmaterialien werden verschiedene, Natriumionen enthaltende Materialien wie Phosphate und Diphosphate erforscht, beispielsweise Natriumeisenphosphat. ⓘ

Je nach verwendeten Materialien ergeben sich daraus Zellspannungen im Bereich zwischen 2 und 3,5 Volt. ⓘ

Vor- und Nachteile gegenüber anderen Batterietechnologien

Natrium-Ionen-Batterien haben mehrere Vorteile gegenüber konkurrierenden Batterietechnologien. Im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien haben Natrium-Ionen-Batterien derzeit etwas höhere Kosten, eine etwas geringere Energiedichte, bessere Sicherheitseigenschaften und ähnliche Leistungsmerkmale. Wenn die Kosten für Natrium-Ionen-Batterien weiter gesenkt werden, werden sie für die Netzspeicherung und die Speicherung in Privathaushalten bevorzugt, wo das Gewicht der Batterie keine Rolle spielt. Wenn zusätzlich zu den Kostenverbesserungen die Energiedichte erhöht wird, könnten die Batterien für Elektrofahrzeuge und Elektrowerkzeuge sowie im Wesentlichen für alle anderen Anwendungen eingesetzt werden, für die derzeit Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden. ⓘ

In der nachstehenden Tabelle wird verglichen, wie NIBs im Allgemeinen im Vergleich zu den beiden etablierten wiederaufladbaren Batterietechnologien auf dem Markt abschneiden: der Lithium-Ionen-Batterie und der wiederaufladbaren Blei-Säure-Batterie. ⓘ

	Natrium-Ionen-Batterie	Lithium-Ionen-Batterie	Blei-Säure-Batterie ⓘ
Kosten pro Kilowattstunde der Kapazität	$40–77	137 $ (Durchschnitt im Jahr 2020).	$100–300
Volumetrische Energiedichte	250-375 W-h/L, basierend auf Prototypen.	200-683 W-h/L	80-90 W-h/L
Gravimetrische Energiedichte (spezifische Energie)	75-165 W-h/kg, auf der Grundlage von Prototypen und Produktankündigungen	120-260 W-h/kg	35-40 Wh/kg
Zyklen bei 80% Entladetiefe	Hunderte bis Tausende.	3,500	900
Sicherheit	Geringes Risiko	Hohes Risiko	Mäßiges Risiko
Werkstoffe	Erde reichlich vorhanden	Knapp	Giftig
Zyklische Stabilität	Hoch (vernachlässigbare Selbstentladung)	Hoch (vernachlässigbare Selbstentladung)	Mäßig (hohe Selbstentladung)
Gleichstrom-Round-Trip-Wirkungsgrad	bis zu 92%	85–95%	70–90%
Temperaturbereich	-20 °C bis 60 °C	Zulässig: -20 °C bis 60 °C. Optimal: 15 °C bis 35 °C	-20 °C bis 60 °C

Kommerzialisierung

Gegenwärtig gibt es weltweit mehrere Unternehmen, die kommerzielle Natrium-Ionen-Batterien für verschiedene Anwendungen entwickeln. Einige wichtige Unternehmen sind im Folgenden aufgeführt.

• Faradion LimitedDas 2011 im Vereinigten Königreich gegründete Unternehmen Faradion Limited verwendet für seine Hauptzellen Oxidkathoden mit Hartkohlenstoffanoden und einen flüssigen Elektrolyten. Ihre Pouch-Zellen haben eine Energiedichte, die mit der kommerzieller Li-Ionen-Batterien vergleichbar ist (140-150 Wh/kg auf Zellebene), mit einer guten Leistung bis 3C und einer Zyklenlebensdauer von 300 (100 % Entladetiefe) bis über 1.000 Zyklen (80 % Entladetiefe). Die Realisierbarkeit der aufgestockten Akkupacks für E-Bike- und E-Scooter-Anwendungen wurde nachgewiesen. Sie haben auch den Transport von Natrium-Ionen-Zellen im kurzgeschlossenen Zustand (bei 0 V) demonstriert, wodurch jegliche Risiken beim kommerziellen Transport solcher Zellen eliminiert werden. Das Unternehmen arbeitet mit AMTE Power plc (früher bekannt als AGM Batteries Limited) mit Sitz in Schottland zusammen, das eine Batterie auf Natrium-Ionen-Basis mit einer angekündigten Speicherkapazität von 135-140 Wh/kg vermarktet. Das Produkt wird voraussichtlich in Q3-2022 auf den Markt kommen.
• Gegründet im Jahr 2017 in Frankreich, TIAMAT wurde 2017 in Frankreich gegründet und ist aus dem CNRS/CEA hervorgegangen, nachdem eine Arbeitsgruppe im Rahmen des RS2E-Netzwerks und eines H2020-EU-Projekts namens NAIADES Forschungen zur Na-Ionen-Technologie durchgeführt hatte. Die von TIAMAT entwickelte Technologie konzentriert sich auf die Entwicklung von zylindrischen Vollzellen im Format 18650, die auf polyanionischen Materialien basieren. Mit einer Energiedichte zwischen 100 Wh/kg und 120 Wh/kg für dieses Format zielt die Technologie auf Anwendungen im Bereich der Schnellladung und -entladung ab. Die Leistungsdichte liegt zwischen 2 und 5 kW/kg, was eine Ladezeit von 5 Minuten ermöglicht. Die Lebensdauer beträgt über 5000 Zyklen bis zu 80 % der Kapazität.
• HiNa Battery Technology Co. Ltd.ein Spin-off der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS), wurde 2017 gegründet und baut auf den Forschungsarbeiten der Gruppe von Prof. Hu Yong-sheng am Institut für Physik der CAS auf. Die Natrium-Ionen-Batterien von HiNa basieren auf Oxidkathoden auf Na-Fe-Mn-Cu-Basis und einer Kohlenstoffanode auf Anthrazitbasis und können eine Energiedichte von 120 Wh/kg erreichen. Im Jahr 2019 wurde berichtet, dass HiNa eine 100 kWh-Natrium-Ionen-Batterie-Powerbank in Ostchina installiert hat.
• Natron EnergyNatron Energy, ein Spin-off der Stanford University, verwendet Preußischblau-Analoga sowohl für die Kathode als auch für die Anode mit einem wässrigen Elektrolyten.
• Altris AB ist ein 2017 gegründetes Unternehmen, das aus dem Ångström Advanced Battery Centre unter der Leitung von Prof. Kristina Edström an der Universität Uppsala hervorgegangen ist. Das Unternehmen vertreibt ein proprietäres eisenbasiertes Preußischblau-Analogon für die positive Elektrode in nichtwässrigen Natriumionenbatterien, die Hartkohle als Anode verwenden.
• Chinesischer Hersteller von Lithium-Ionen-Batterien CATL kündigte 2021 an, dass er bis 2023 eine Batterie auf Natrium-Ionen-Basis auf den Markt bringen wird. Die Technologie der "ersten Generation" verwendet ein Preußischblau-Analogon für die positive Elektrode und porösen Kohlenstoff für die negative Elektrode. Das Unternehmen gibt für die erste Generation eine spezifische Energiedichte von 160 Wh/kg an und erwartet, dass eine spätere Generation mehr als 200 Wh/kg erreichen wird. Das Unternehmen plant auch die Herstellung eines Hybrid-Akkupakets, das sowohl Natrium-Ionen- als auch Lithium-Ionen-Zellen enthalten soll. ⓘ

2017 spielten Natrium-Ionen-Akkumulatoren wirtschaftlich nur eine geringe Rolle, waren aber in verschiedenen Formen und Variationen Gegenstand von Forschungsarbeiten. 2018 hatte sich die Position der Natrium-Ionen-Akkumulatoren etwas verbessert, da die Herstellungskosten gegenüber Lithium-Akkus gesunken und eine weitere Rationalisierung durch einfachere Bauweise bei höheren Stückzahlen zu erwarten war. ⓘ

Das britische Unternehmen Faradion, in Partnerschaft mit dem größten britischen Akkuhersteller AMTE, und der chinesische Hersteller CATL, Tesla-Zulieferer und der größte Akkuhersteller der Welt, haben einen Prototyp von Natrium-Ionen-Akkumulator für die Elektromobilität entwickelt. Nach Angaben des Hersteller kommt der Prototype ohne Lithium, Kobalt und Kupfer aus bei 90 Prozent der Energiedichte von Lithium-Eisenphosphat-Akkus (LFP) und können tiefentladen werden. Die Lebensdauer liegt bei 1000 vollen Ladezyklen oder 3000 bei 80 % Ladung. Die Energiedichte liegt laut Herstellerangaben bei 150 bis 160 Wh/kg. ⓘ

Begriff

Der Begriff Natrium-Ionen-Akkumulator kann unterschiedlich definiert werden, umfassender oder enger gefasst. ⓘ

Natrium-Ionen-Akkumulator im weiteren Sinn

Man kann unter Natrium-Ionen-Akkumulator alle Akkumulatoren zusammenfassen, die Natriumionen zum Ladungstransport im Elektrolyten nutzen. ⓘ

Die technisch wichtigsten Umsetzungen, die unter diese weite Definition fallen, sind Thermalbatterien (Hochtemperatur-Batterien), die flüssiges Natrium und einen festen Elektrolyten nutzen. Die aufgrund ihrer kommerziellen Nutzung bedeutenden Beispiele dazu sind die Zebra-Batterie und der Natrium-Schwefel-Akkumulator. ⓘ

Thermalbatterien mit Natriummetall

Diese nutzen einen Festelektrolyten (vom Typ Natrium-β-aluminat) zum Transport der Natriumionen. Da die Leitfähigkeit von Festelektrolyten nur bei genügend hohen Temperaturen groß genug ist, müssen die Zellen auf hoher Temperatur gehalten werden. Dafür kann die Minuspolseite aus dem preiswerten flüssigen Natrium bestehen, die Pluspolseite aus Schwefel beim Natrium-Schwefel-Akkumulator und aus Nickelchlorid bei der Zebra-Batterie (=Natrium-Nickelchlorid-Akkumulator). Im Gegensatz zu den preiswerten Elektroden ist der Festelektrolyt relativ teuer. ⓘ

Natrium-Ionen-Batterien mit wässrigen Elektrolyten

Dieser Akkumulatortyp wird unter anderem mit Bezeichnungen wie Salzwasserbatterie, englisch Salt water battery, vermarktet. Eine Besonderheit dieses Akkumulatortyps ist, dass er im Gegensatz zu den meisten Akkumulatoren, speziell der Gruppe der Lithium-Ionen-Akkumulatoren, tiefentladefest ist und bis zu einer Entladeschlussspannung von 0 V entladen werden kann, ohne Schaden zu nehmen. ⓘ

Die Energiedichte der wässrigen Natrium-Ionen-Akkumulatoren liegt mit 12 bis 24 Wattstunden pro Liter weit unterhalb derer von Blei- oder Lithium-Ionen-Akkumulatoren, was zwar bei ortsfesten Anlagen kein Problem darstellt, diese Natrium-Ionen-Akkus jedoch für mobile Anwendungen ungeeignet macht. Sie weisen zudem eine geringere Zyklenfestigkeit auf. ⓘ

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