Ressourcenschonend und klimafreundlich mit Natrium-Ionen-Batterien

Batterien, die auf reichlich vorhandenen Rohstoffen basieren, könnten geopolitische Risiken und Abhängigkeiten von bestimmten Regionen verringern

15.12.2023

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Der Übergang zu einer Gesellschaft ohne fossile Brennstoffe bedeutet, dass der Bedarf an Batterien rasant steigt. Gleichzeitig führt dieser Anstieg zu einer Verknappung der Metalle Lithium und Kobalt, die wichtige Bestandteile der gängigsten Batterietypen sind. Eine Möglichkeit ist die Natrium-Ionen-Batterie, bei der Kochsalz und Biomasse aus der Forstwirtschaft die Hauptrohstoffe darstellen. Forscher der Chalmers University of Technology, Schweden, haben nun gezeigt, dass diese Natrium-Ionen-Batterien die gleichen Auswirkungen auf das Klima haben wie ihre Lithium-Ionen-Pendants - ohne das Risiko, dass die Rohstoffe ausgehen. "Die Materialien, die wir in den Batterien der Zukunft verwenden, werden wichtig sein, um auf erneuerbare Energien und eine Fahrzeugflotte ohne fossile Brennstoffe umsteigen zu können", sagt Rickard Arvidsson, außerordentlicher Professor für Umweltsystemanalyse an der Chalmers University of Technology.

Laut dem Gesetz über kritische Rohstoffe der Europäischen Kommission wird die Nachfrage nach kritischen Batterierohstoffen voraussichtlich exponentiell ansteigen, wenn die EU-Länder auf erneuerbare Energiesysteme und Elektrofahrzeuge umsteigen. Der grüne Wandel wird auch eine stärkere lokale Produktion von Batterien und anderen neuen, fossilfreien Technologien erfordern, und um die Nachfrage zu befriedigen, ist eine stetige Versorgung mit Rohstoffen erforderlich. Gleichzeitig birgt eine solche Produktion aufgrund der begrenzten Anzahl von Rohstoffquellen ein hohes Risiko von Versorgungsunterbrechungen.

"Lithium-Ionen-Batterien entwickeln sich zu einer weltweit vorherrschenden Technologie, und sie sind besser für das Klima als fossile Technologien, insbesondere im Verkehr. Aber Lithium stellt einen Engpass dar. Man kann Batterien auf Lithiumbasis nicht in dem Maße herstellen, wie man Elektroautos produzieren will, und die Vorkommen drohen langfristig erschöpft zu sein", sagt Rickard Arvidsson. Hinzu kommt, dass kritische Batteriematerialien wie Lithium und Kobalt größtenteils nur an wenigen Orten der Welt abgebaut werden, was ein Risiko für die Versorgung darstellt.

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Natrium-Ionen-Batterien sind eine vielversprechende Technologie

Die Entwicklung neuer Batterietechnologien schreitet schnell voran auf der Suche nach der nächsten Generation nachhaltiger Energiespeicher, die vorzugsweise eine lange Lebensdauer, eine hohe Energiedichte und eine einfache Herstellung aufweisen sollten. Das Chalmers-Forschungsteam hat sich für Natrium-Ionen-Batterien entschieden, die anstelle von Lithium Natrium enthalten - eine sehr häufig vorkommende Substanz, die in gewöhnlichem Natriumchlorid enthalten ist. In einer neuen Studie haben sie eine so genannte Lebenszyklusbewertung der Batterien durchgeführt, bei der sie die gesamten Umwelt- und Ressourcenauswirkungen während der Rohstoffgewinnung und der Herstellung untersucht haben.

"Wir sind zu dem Schluss gekommen, dass Natrium-Ionen-Batterien in Bezug auf die Auswirkungen auf die Knappheit der mineralischen Ressourcen viel besser sind als Lithium-Ionen-Batterien und in Bezug auf die Klimaauswirkungen gleichwertig. Je nachdem, welches Szenario man betrachtet, kommen sie auf 60 bis knapp über 100 Kilogramm Kohlendioxidäquivalente pro Kilowattstunde theoretischer Stromspeicherkapazität, was niedriger ist als die bisher für diese Art von Natrium-Ionen-Batterie angegebenen Werte. Es handelt sich eindeutig um eine vielversprechende Technologie", sagt Rickard Arvidsson.

Die Forscher haben auch eine Reihe von Maßnahmen identifiziert, die das Potenzial haben, die Auswirkungen auf das Klima weiter zu verringern, wie etwa die Entwicklung eines umweltfreundlicheren Elektrolyten, da dieser einen großen Teil der Gesamtauswirkungen der Batterie ausmacht.

Grüne Energie erfordert Energiespeicherung

Die heutigen Natrium-Ionen-Batterien werden voraussichtlich bereits für die stationäre Energiespeicherung im Stromnetz verwendet, und bei weiterer Entwicklung werden sie in Zukunft wahrscheinlich auch in Elektrofahrzeugen zum Einsatz kommen.
"Energiespeicherung ist eine Voraussetzung für den Ausbau von Wind- und Sonnenenergie. Da die Speicherung vor allem mit Batterien erfolgt, stellt sich die Frage, woraus diese Batterien hergestellt werden. Die steigende Nachfrage nach Lithium und Kobalt könnte ein Hindernis für diese Entwicklung sein", sagt Rickard Arvidsson.

Der große Vorteil dieser Technologie besteht darin, dass die Materialien in den Natrium-Ionen-Batterien reichlich vorhanden sind und überall auf der Welt gefunden werden können. Eine Elektrode in den Batterien - die Kathode - hat Natriumionen als Ladungsträger, die andere Elektrode - die Anode - besteht aus Hartkohle, die in einem der von den Chalmers-Forschern untersuchten Beispiele aus Biomasse aus der Forstwirtschaft hergestellt werden kann. Auch produktionstechnisch und geopolitisch gesehen sind Natrium-Ionen-Batterien eine Alternative, die den Übergang zu einer fossilfreien Gesellschaft beschleunigen kann.

"Batterien, die auf reichlich vorhandenen Rohstoffen basieren, könnten geopolitische Risiken und Abhängigkeiten von bestimmten Regionen verringern, sowohl für Batteriehersteller als auch für Länder", sagt Rickard Arvidsson.

Mehr über die Studie

Bei der Studie handelt es sich um eine prospektive Lebenszyklusbewertung von zwei verschiedenen Natrium-Ionen-Batteriezellen, bei der die Umwelt- und Ressourcenauswirkungen von der Wiege bis zum Tor berechnet werden, d. h. von der Rohstoffgewinnung bis zur Herstellung einer Batteriezelle. Die funktionale Einheit der Studie ist 1 kWh theoretische Stromspeicherkapazität auf Zellebene. Beide Arten von Batteriezellen basieren hauptsächlich auf reichlich vorhandenen Rohstoffen. Die Anode besteht aus Hartkohle, die entweder aus biobasiertem Lignin oder aus fossilen Rohstoffen gewonnen wird, und die Kathode aus so genanntem "Preußisch Weiß" (bestehend aus Natrium, Eisen, Kohlenstoff und Stickstoff). Der Elektrolyt enthält ein Natriumsalz. Die Produktion wird so modelliert, dass sie einer zukünftigen, großtechnischen Produktion entspricht. So basiert die tatsächliche Produktion der Batteriezelle auf der heutigen Großproduktion von Lithium-Ionen-Batterien in Gigafabriken.

Getestet wurden zwei verschiedene Strommixe sowie zwei verschiedene Arten von so genannten Allokationsmethoden - also die Aufteilung von Ressourcen und Emissionen. Eine Methode, bei der die Klima- und Ressourcenauswirkungen auf der Grundlage der Masse auf die Nebenprodukte verteilt werden, und eine Methode, bei der alle Auswirkungen dem Hauptprodukt (der Natrium-Ionen-Batterie und ihren Komponenten und Materialien) zugerechnet werden.

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Originalveröffentlichung

Sanna Wickerts, Rickard Arvidsson, Anders Nordelöf, Magdalena Svanström, Patrik Johansson; "Prospective life cycle assessment of sodium‐ion batteries made from abundant elements"; Journal of Industrial Ecology, 2023-11-13

https://www.chemie.de/news/1182292/ressourcenschonend-und-klimafreundlich-mit-natrium-ionen-batterien.html