Teilen: Natrium-Ionen-Batterien erweisen sich als ressourcenschonend
Exliporc Natrium-Ionen-Batterietechnologie
Technologie und Anwendung von Natrium-Ionen-Batterien
Forscher der schwedischen Technischen Universität Chalmers haben gezeigt, dass Natrium-Ionen-Batterien die gleichen Auswirkungen auf das Klima haben wie ihre Lithium-Ionen-Pendants – es besteht jedoch nicht die Gefahr, dass ihnen die Rohstoffe ausgehen.
„Lithium-Ionen-Batterien entwickeln sich zu einer weltweit dominierenden Technologie und sind besser für das Klima als Technologien auf fossiler Basis, insbesondere wenn es um den Transport geht. Doch Lithium stellt einen Engpass dar. „Lithiumbasierte Batterien können nicht mit der gleichen Geschwindigkeit produziert werden, mit der man Elektroautos produzieren möchte, und die Vorkommen laufen Gefahr, auf lange Sicht erschöpft zu sein“, sagte Rickard Arvidsson, Hauptautor der im Journal of Industrial Ecology veröffentlichten Studie in einer Medienerklärung.
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Arvidsson wies darauf hin, dass kritische Batteriematerialien wie Lithium und Kobalt zusätzlich zu ihrer begrenzten natürlichen Verfügbarkeit größtenteils nur an wenigen Orten auf der Welt abgebaut werden, was ein Risiko für die Versorgung darstellt.
Aus seiner Sicht stellen Natrium-Ionen-Batterien aus diesem Grund eine vielversprechende Technologie dar und sein Team hat beschlossen, sich eingehender mit ihnen zu befassen.
Im Detail führten sie eine Ökobilanz der Batterien durch und untersuchten dabei deren gesamte Umwelt- und Ressourcenauswirkungen bei der Rohstoffgewinnung und -herstellung.
„Wir kamen zu dem Schluss, dass Natrium-Ionen-Batterien im Hinblick auf die Auswirkungen auf die Knappheit von Bodenschätzen viel besser sind als Lithium-Ionen-Batterien und hinsichtlich der Auswirkungen auf das Klima gleichwertig sind“, sagte Arvidsson. „Je nachdem, welches Szenario man betrachtet, liegen sie am Ende zwischen 60 und etwas mehr als 100 Kilogramm Kohlendioxid-Äquivalenten pro Kilowattstunde theoretischer Stromspeicherkapazität, was niedriger ist als bisher für diesen Typ von Natrium-Ionen-Batterien angegeben. Es ist eindeutig eine vielversprechende Technologie.“
Die Forscher identifizierten außerdem mehrere Maßnahmen mit dem Potenzial, die Klimaauswirkungen weiter zu reduzieren, beispielsweise die Entwicklung eines umweltfreundlicheren Elektrolyten, da dieser einen großen Teil der Gesamtauswirkungen der Batterie ausmachte.
Energiespeicher
Heutige Natrium-Ionen-Batterien sollen bereits heute zur stationären Energiespeicherung im Stromnetz zum Einsatz kommen und bei weiterer Weiterentwicklung künftig voraussichtlich auch in Elektrofahrzeugen zum Einsatz kommen.
„Energiespeicherung ist eine Voraussetzung für den Ausbau von Wind- und Solarenergie. Da die Speicherung überwiegend mit Batterien erfolgt, stellt sich die Frage: Woraus werden diese Batterien bestehen? „Eine erhöhte Nachfrage nach Lithium und Kobalt könnte ein Hindernis für diese Entwicklung sein“, bemerkte Arvidsson.
Der große Vorteil der Technologie besteht darin, dass die Materialien in den Natrium-Ionen-Batterien reichlich vorhanden und auf der ganzen Welt zu finden sind. Eine Elektrode in den Batterien – die Kathode – verfügt über Natriumionen als Ladungsträger, die andere Elektrode – die Anode – besteht aus hartem Kohlenstoff, der in einem der von den Chalmers-Forschern untersuchten Beispiele aus Biomasse aus der Forstwirtschaft hergestellt werden kann .
„Batterien, die auf reichlich vorhandenen Rohstoffen basieren, könnten geopolitische Risiken und Abhängigkeiten von bestimmten Regionen verringern, sowohl für Batteriehersteller als auch für Länder“, sagte Arvidsson.
Ökobilanz
Bei der Studie handelt es sich um eine prospektive Ökobilanz von zwei verschiedenen Natrium-Ionen-Batteriezellen, bei der die Umwelt- und Ressourcenauswirkungen von der Rohstoffgewinnung bis zur Herstellung einer Batteriezelle berechnet werden.
Die funktionelle Einheit der Studie ist 1 kWh theoretische Stromspeicherkapazität auf Zellebene. Beide Arten von Batteriezellen basieren überwiegend auf reichlich vorhandenen Rohstoffen. Die Anode besteht aus Hartkohlenstoff aus biobasiertem Lignin oder fossilen Rohstoffen, die Kathode aus sogenanntem „Preußischem Weiß“ (bestehend aus Natrium, Eisen, Kohlenstoff und Stickstoff). Der Elektrolyt enthält ein Natriumsalz. Die Produktion wird so modelliert, dass sie einer zukünftigen Großserienproduktion entspricht. Beispielsweise orientiert sich die eigentliche Produktion der Batteriezelle an der heutigen Großserienproduktion von Lithium-Ionen-Batterien in Gigafabriken.
Getestet wurden zwei unterschiedliche Strommixe sowie zwei unterschiedliche Arten sogenannter Allokationsmethoden – also die Allokation von Ressourcen und Emissionen. Eine Methode, bei der die Auswirkungen auf das Klima und die Ressourcen anhand 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) zugeordnet werden.