Sichere Natrium-Ionen-Batterien glänzen bei erneuerbaren Energien und industriellen Anwendungen
Lithium-Ionen-Batterien haben die tragbare Unterhaltungselektronik revolutioniert und werden heute in den meisten Elektrofahrzeugen eingesetzt. Sie treiben auch Materialtransportgeräte wie kleine Gabelstapler oder Roboter in industriellen Umgebungen an und dienen als Energiespeicher in Anwendungen für erneuerbare Energien. Lithium-Ionen-Batterien stehen vor großen Herausforderungen, darunter die Instabilität der Lieferkette, die durch die rasant steigende Nachfrage noch verschärft wird, die Sicherheit im Zusammenhang mit einer unkontrollierten chemischen Reaktion, thermisches Durchgehen genannt, die zu Bränden führt, und uneinheitliche Recyclingprozesse. Zur Lösung dieser Probleme hat das EU-finanzierte Projekt NAIMA die vielversprechende Natrium-Ionen-Batterie-Technologie, eine Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien, aus dem Labor in die Industrie gebracht, und zwar in zwei äußerst erfolgreichen und zeitnahen Anwendungsfällen: Industrie 4.0 und erneuerbare Energien.
Maßstabsvergrößerung und Prototypenentwicklung aktiver Materialien
NAIMA hat Materialien für die Anode, die Kathode und den Elektrolyten entwickelt sowie optimiert, darunter Vorstufen trockener Biomasse für die Anoden und polyanionische sowie lamellare Oxide als aktive Materialien für die Kathoden. Diese wurden von der Laborproduktion auf mehrere Kilogramm (Industriemaßstab) hochskaliert. Der Projektkoordinator John Abou-Rjeily von TIAMAT meint: „Die Verfügbarkeit der für die Herstellung von Anode, Kathode und Elektrolyt erforderlichen Rohstoffe in der EU gewährleistet die Durchführbarkeit der Herstellungsverfahren und unterstützt die europäische Unabhängigkeit. Darüber hinaus können die Natrium-Ionen bei 0 V gespeichert werden, was die Batterien vor den mit den Lithium-Ionen-Batterien verbundenen Sicherheitsrisiken schützt.“ „Wir haben mehrere Kilogramm unserer Rohstoffe in industriellem Maßstab produziert und damit die erfolgreiche Herstellung von Prototypen für zwei verschiedene Konfigurationen von Natrium-Ionen-Batteriezellen unterstützt: hohe Leistungsdichte (bezogen darauf, wie schnell ein Gerät seine Energie laden und entladen kann) und hohe Energiedichte (ein Maß dafür, wie viel Energie das Gerät speichern kann)“, erklärt Abou-Rjeily. Erstere erreicht 100 Wattstunden/kg (Wh/kg) und letztere 140 Wh/kg, womit sie andere Alternativen weit übertrifft und schnell zu den aktuellen Lithium-Ionen-Batteriezellen aufschließt.
Anwendungsfälle bei Industrie 4.0 und erneuerbarer Energieerzeugung
Mehrere Akkus mit 48-V-Natrium-Ionen wurden mit über 500 Natrium-Ionen-Zellen von NAIMA und einem hochmodernen Batteriemanagementsystem hergestellt. Diese wurden in zwei Szenarien in verschiedenen europäischen Ländern validiert. Eine Industrie-4.0-Anwendung zielte auf die effektive Bewältigung von Strombedarfsspitzen und die Senkung von Energiekosten ab. Eine Anwendung für erneuerbare Energien glättet die Schwankungen bei der Lieferung von Photovoltaik- oder Windenergie. Die Ergebnisse zeigen, dass die Natrium-Ionen-Batterietechnologie eine robuste Alternative zur Lithium-Ionen-Batterietechnologie sowohl für erneuerbare Energien als auch für industrielle Anwendungen darstellt. Natrium-Ionen-Batterien sind auch weniger kompliziert. Das vereinfacht Betrieb und Wartung. Außerdem sind sie mit Elektrofahrzeuganwendungen kompatibel, wo sie auch mit Lithium-Ionen-Batterien in Hybridkonfigurationen koexistieren können.
Natrium-Ionen-Batterien: Die europäische Energiewende beschleunigen
Neben der europäischen Unabhängigkeit und der ausgezeichneten Leistung erfüllt die Natrium-Ionen-Batterietechnologie auch alle Anforderungen in Bezug auf Nachhaltigkeit, Ökodesign und Kreislaufwirtschaft. Die im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien überlegene Nachhaltigkeit wird durch eine europäische Versorgung mit Rohstoffen gewährleistet, zu denen trockene Biomasse-Ausgangsstoffe, Hartkohle und Salze gehören. „Unsere nachhaltige europäische Lieferkette und umweltfreundliche Materialien wurden durch einen Ökodesign-Ansatz, eine Produktentwicklung, die Nachhaltigkeit und technische Strategien (Lebenszyklusanalyse und Lebenszykluskostenrechnung) vereint, sowie die Erforschung realer Second-Life-Anwendungen, einschließlich Wiederverwendungs- und Zusammenbauprozesse, verstärkt. Unser maßgeschneidertes Recyclingverfahren führte zu einer nachgewiesenen Recyclingfähigkeit von 51 %“, fügt Abou-Rjeily hinzu. Die Zusammenarbeit von NAIMA mit mehr als 100 Personen aus 15 verschiedenen Einrichtungen in neun europäischen Ländern hat den Übergang zu einem sicheren, nachhaltigen und wettbewerbsfähigen Energiesystem auf der Grundlage der Natrium-Ionen-Technologie unterstützt.
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