Natrium-Ionen-Akku vor dem Durchbruch?
Neuer Super-Akku könnte das Aufladen in Sekunden ermöglichen
Der Natrium-Ionen-Akku könnte eine preisgünstige Alternative zur Lithium-Ionen-Batterie werden. Forscher haben jetzt einen Durchbruch bei der Technologie erzielt: Ihre Natrium-Ionen-Batterie nutzt die Eigenschaften eines ganz anderen Energiespeichers.
Bild: Kaist-Infografik
Lange schon wird in den Laboren weltweit nach Alternativen zum Lithium-Ionen-Akku geforscht, Ziel ist der leistungsfähige Super-Akku für neue E-Autos. Als Lithium-Ersatz ist Natrium beim Batterie-Bau ein Hoffnungsträger, weil es erheblich weniger kostet.
Eine koreanische Forschergruppe will nun den Durchbruch erzielt haben, damit Natrium-Ionen-Akkus zu Lithium-Ionen-Akkus nicht nur technologisch aufschließen, sondern sie sogar hinter sich lassen. Das soll unter anderem dadurch möglich sein, dass die Wissenschaftler den elektrochemischen Akku mit Komponenten des elektrostatischen Superkondensators kombinieren.
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Erweisen sich die Annahmen des Teams vom Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) als richtig, hätte ihre Version eines Stromspeichers eine ähnliche Energiedichte wie Lithium-Ionen-Akkus. Dazu kommt aber die Fähigkeit von Superkondensatoren, die Ladung ebenso blitzschnell aufzunehmen wie abgeben können. Die neue Batterie ließe sich deutlich schneller aufladen als ein Lithium-Ionen-Akku, womöglich innerhalb von Sekunden. Hinzu kommen die weiteren Vorteile von Natrium-Anoden: geringe Kälteempfindlichkeit, nahezu keine Brandgefahr, längere Lebensdauer (mit mehr Ladezyklen).
Das kann ein Superkondensator
Was ist der Unterschied zwischen Kondensator und Akku?
Ein Kondensator kann wie ein Akku Strom speichern, jedoch auf unterschiedliche Weise und anders zu nutzen. Während die Batterie auf chemischem Wege Strom speichert und abgibt, wird ein Kondensator über ein statisches elektrisches Feld geladen. Das geschieht im Vergleich zum Aufladen einer Batterie sehr schnell; auch das Entladen kann mit hohem Tempo geschehen. Andererseits kann ein Kondensator seine statische Ladung im Verhältnis zu seiner geringen Kapazität nur vergleichsweise kurze Zeit halten, je nach Größe können das wenige Sekunden bis einige Tage sein. Kondensatoren werden dort genutzt, wo permanent Spannung anliegt, aber bei einem plötzlichen Ausfall Funktionen weiterhin zur Verfügung stehen sollen; zum Beispiel im Computer. Auch als zusätzlicher Speicher für punktuellen, plötzlichen Leistungsbedarf, zum Beispiel bei Rennwagen, werden sie genutzt.
Wie ist ein Kondensator aufgebaut?
Ein Kondensator besteht regelmäßig aus zwei ladungsfähigen Platten mit einer nicht leitfähigen Schicht dazwischen, dem Dielektrikum. Es isoliert die beiden Leiter voneinander. Legt man einen Strom an den Kondensator an, wandern Elektronen von einem der beiden Leiter zum anderen. Es entsteht eine Ladung. Schließt man einen Verbraucher (Motor, Lichtquelle etc.) an, wandern die Elektronen in die entgegengesetzte Richtung.
Was ist ein Superkondensator?
Ein Superkondensator nutzt das Prinzip des Kondensators – die statische Ladungstrennung. Statt eines Dielektrikums wie beim einfachen Kondensator trennt ein Elektrolyt die beiden Ladungsträger. Dennoch findet keine elektrochemische Reaktion wie bei einem Akku statt. Der Superkondensator unterscheidet sich vom gewöhnlichen Kondensator durch eine erheblich schnellere Ladungsaufnahme und -abgabe. Auch seine Kapazität ist viel höher, wenn auch wesentlich geringer als die Energiedichte elektrochemischer Akkus.
Kombination aus Akku und Superkondensator
All diese Eigenschaften soll also die Super-Zelle mit Natriumanode aus Südkorea mitbringen. Das Forscherteam um Professor Jeung Ku Kang entwickelte dafür mit hohem Aufwand eine Kombination ("Hybrid") aus Batterie und Superkondensator. Dabei wurde das Material der einen Elektrode so zusammengesetzt, dass sie einem Kondensator ähnelt. Damit kann sie statische Energie schnell speichern. Das erlaubt der Hybrid-Batterie ein hohes Tempo bei der Energiezufuhr.
Mit Superkondensatoren als Ersatz für Akkus wird bereits seit längerer Zeit experimentiert. So sind sie als zusätzliche Energiespeicher von Rennwagen bereits im Einsatz, die Bremsenergie in Kurven aufnehmen und vor der Geraden zur extremen Beschleunigung wieder abgeben.
Seit Kurzem baut der chinesische Hersteller JAC den Kleinwagen Yiwei E10X wahlweise mit Natrium-Ionen-Akku.
Bild: JAC
Die zweite Elektrode gewährleistet in ihrer Beschaffenheit die hohe Energiedichte, die ein Traktionsakku benötigt. Laut Teamleiter Kang hat die Akkuzelle eine Energiedichte von 247 Wattstunden pro Kilogramm – damit entspricht sie ungefähr der Leistungsfähigkeit von modernen Lithium-Ionen-Akkus. Zugleich soll sie eine sehr hohe Leistungsdichte haben, die um das 20-Fache höher liegt als die aktueller Lithium-Ionen-Zellen. Das sei ein "Durchbruch bei der Überwindung der aktuellen Grenzen von Batteriesystemen".
Testsieger
Der Wissenschaftler rechnet mit einer breiten Anwendung, nicht zuletzt in Elektroautos. Wann das aber der Fall sein könnte, wird nicht gesagt. Bisher handelt es sich erst um den Prototyp einer einzelnen Zelle. Inwieweit das Prinzip in die Massenfertigung überführbar ist und welchen Preis ein Akku aus solchen Zellen einmal haben wird, ist noch ungewiss. Um den Natrium-Ionen-Akku bemühen sich derzeit viele Hersteller. Erster Prototyp mit einem solchen Energiespeicher war 2023 der Yiwei E10X vom VW-Partner JAC aus China.
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