Legionen von Batterieingenieuren und ihre Unterstützer versuchen seit Jahren, Batterien zu bauen, die billiger sind als die vorherrschende Lithium-Ionen-Technologie, in der Hoffnung, einen Teil des wachsenden Lithium-Ionen-Marktes mit einem Umsatz von 50 Milliarden US-Dollar pro Jahr zu erobern. Der jüngste Lieblingskandidat unter Forschern, Start-ups und Risikokapitalgebern – Natrium-Ionen-Batterien – hat viel Aufmerksamkeit erhalten, nachdem die durch COVID verursachten Herausforderungen in der Minerallieferkette die Lithiumpreise in die Höhe schnellen ließen. Dennoch kann es noch einige Jahre dauern, bis Natrium-Ionen-Batterien ein preisgünstiger Konkurrent werden und eine Reihe von technologischen Fortschritten und günstigen Marktbedingungen erforderlich sein werden, heißt es in einer neuen Studie Naturenergie.
Bei Natrium-Ionen-Batterien wird häufig angenommen, dass sie im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien geringere Kosten und widerstandsfähigere Lieferketten aufweisen. Trotz des großen Potenzials stehen Natrium-Ionen-Batterien immer noch vor einem harten Kampf. Die Energiemenge, die sie pro Pfund speichern, ist tendenziell geringer als bei Lithium-Ionen-Batterien. Abgesehen von möglicherweise niedrigeren Materialpreisen bleiben die Kosten pro gespeicherter Energieeinheit bei Natrium-Ionen-Batterien höher. Dies würde wahrscheinlich eine breite kommerzielle Akzeptanz einschränken – es sei denn, es können zuerst bahnbrechende Forschungsergebnisse erzielt werden. In der Studie werden die fruchtbarsten Bereiche für den Fortschritt hervorgehoben, der erste durch eine neue Partnerschaft zwischen dem Precourt Institute for Energy der Stanford Doerr School of Sustainability und dem SLAC-Stanford Battery Center. Das neue Programm STEER bewertet das technologische und wirtschaftliche Potenzial neuer Energietechnologien und berät, „was man baut, wo man innoviert und wie man investiert“ für die Energiewende. Die neue Studie wertete mehr als 6.000 Szenarien aus, um die Robustheit ihrer Roadmaps für das Wettbewerbspotenzial von Natrium-Ionen-Batterien zu testen.
„Der Preis für Lithium-Ionen-Batterien stieg im Jahr 2022 zum ersten Mal, was Alarm auslöste, dass möglicherweise eine Alternative benötigt wird. Natrium-Ionen-Batterien sind vielleicht der überzeugendste kurzfristige Konkurrent von Lithium-Ionen-Batterien, und viele Batterieunternehmen haben Pläne dafür angekündigt.“ „Es ist ein großer Ausbau der Natriumionen-Produktion, der vielversprechende Wege zu niedrigeren Preisen als der etablierte Betreiber darstellt“, sagte Adrian Yao, der Hauptautor der Studie sowie Gründer und Teamleiter von STEER, das im Oktober 2023 begann die Unterstützung von drei Büros innerhalb des US-Energieministeriums.
„Wir haben erkannt, dass es weitgehend spekulativ ist, ob, wann und wie Natrium-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien preislich unterbieten könnten, insbesondere angesichts der Tatsache, dass der Preis für Lithium-Ionen-Batterien weiter sinkt“, sagte Yao, ein Doktorand, der danach in die Wissenschaft zurückkehrte Acht Jahre lang war er Gründer und Chief Technology Officer eines Lithium-Ionen-Batterie-Startups, das seine Batterien nun in großem, kommerziellem Maßstab herstellt.
Yaos Doktoranden-Co-Berater sind die leitenden Autoren der neuen Studie und die Co-Direktoren von STEER: Sally Benson, die Precourt-Familienprofessorin im Department of Energy Science & Engineering der Doerr School of Sustainability; und William Chueh, außerordentlicher Professor für Materialwissenschaften an der School of Engineering, für Photonenwissenschaften am SLAC und für Energiewissenschaften und -technik an der Doerr School.
„Diese Natriumionenstudie war das perfekte Unterfangen, um STEER als einen neuen Weg zu starten, um Forschung und Investitionen auf die Technologie-Roadmaps auszurichten, die es am meisten wert sind, verfolgt zu werden, und, was vielleicht noch wichtiger ist, weg von solchen, die wahrscheinlich nicht erfolgreich sein werden“, sagte Benson.
Verhaltensregeln und Verbote für Natriumionen
Um preislich zu konkurrieren, insbesondere mit einer kostengünstigen Variante der Lithium-Ionen-Batterie namens Lithium-Eisen-Phosphat, zeigt die Studie mehrere wichtige Wege für Entwickler von Natrium-Ionen-Batterien auf. Am wichtigsten ist die Erhöhung der Energiedichte ohne den Einsatz kritischer Mineralien. Konkret sollten Entwickler die Energiedichten von Lithium-Eisen-Phosphat anstreben und sich gleichzeitig von Nickel verabschieden. Derzeit basieren die meisten führenden Natriumionen-Designs auf dem relativ teuren Metall.
„Unser primäres Ziel bestand jedoch nicht darin, bestimmte Jahre vorherzusagen, in denen wir Preisparität erwarten, sondern darin, die Auswirkungen verschiedener Marktszenarien auf die Lebensfähigkeit konkurrierender Technologien aufzuzeigen“, sagte Chueh.
„Als Technologen und Investoren können wir nicht davon ausgehen, dass Skaleneffekte immer zu einem Preisverfall führen, sobald ein Gerät die kommerzielle Produktion erreicht. Ja, es wird eine Lernkurve geben, aber hier quantifizieren wir diese Kurve und zeigen, dass sie nicht ausreicht.“ von alleine“, sagte Chueh, der auch Direktor des Precourt Institute for Energy ist. „Technische Fortschritte werden wahrscheinlich viel mehr dazu beitragen, die Kosten für Natriumionenbatterien zu senken, als nur die Produktion zu skalieren.“
Solche Fortschritte und neue Batteriechemien seien grundsätzlich erstrebenswert, sagten die Forscher. Die Energiespeicher-Lieferkettenanalyse 2022 des Energieministeriums stellt fest, dass die Diversifizierung der Technologien für Netzspeichersysteme die Widerstandsfähigkeit der gesamten Lieferkette erhöhen könnte. Die weiterhin starke Abhängigkeit von Lithium-Ionen-Batterien, da für den globalen Übergang zu nachhaltiger Energie mehr Energiespeicher benötigt werden, birgt Sicherheits-, Wirtschafts- und geopolitische Risiken. Die Studie simuliert beispielsweise, wie sich die Wettbewerbsfähigkeit von Natriumionen beschleunigen würde, wenn es zu Lieferengpässen bei Graphit kommen würde – einem kritischen Material für Lithium-Ionen-Batterien, bei dem China mehr als 90 % des weltweiten Angebots kontrolliert. Tatsächlich begann China am 3. Dezember 2024, den Export von Graphit in die Vereinigten Staaten erheblich einzuschränken und gleichzeitig den Export von drei anderen kritischen Mineralien zu verbieten.
Die Studie identifiziert auch Marktkräfte und Lieferkettenbedingungen, die den Wettbewerb von Natrium-Ionen mit Lithium-Ionen beeinträchtigen könnten. Wenn beispielsweise die Lithiumpreise dort bleiben, wo sie sich heute in der Nähe historischer Tiefststände befinden, verfügt Natrium-Ion über eine engere Auswahl an Technologierouten, um im nächsten Jahrzehnt preislich vorteilhaft zu sein.
„Eine wichtige Sache, die wir von Praktikern aus der Industrie gelernt haben, ist, dass die Preise für Batteriezellen zwar wichtig sind, Technologien jedoch nur auf Systemebene erfolgreich sind, beispielsweise bei einem Elektrofahrzeug oder einem Batteriespeichersystem im Netzmaßstab. Deshalb erweitern wir jetzt unseren Anwendungsbereich auf.“ bieten ganzheitlichere Perspektiven, einschließlich des Verständnisses der Sicherheitskosten und anderer Systemüberlegungen“, sagte Yao.
