Löst die Natrium-Ionen Batterie die Lithium-Ionen-Batterie ab

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CATL hat nun die Serienfertigung für die erste Natrium-Ionen Batterie für 2023 angekündigt – extreme Preisvorteile

Derzeit werden Lithium-Ionen-Batterie im Elektroauto eingesetzt.

Hier gibt es verschiedene Zusammensetzungen. Aufgrund der teuren Materialien von Kupfer, Kobalt und Mangan versuchen die Batteriehersteller Ersatz zu finden.

Mercedes hat gerade im Vision EQXX eine Anode mit einem erhöhten Silizium Gehalt vorgestellt die in Summe dann eine Energiedichte von 400 Wh je Liter aufweist. So erhält man eine 100 kWh große Batterie auf der rund 50 % geringerem Volumen bei 30% geringerem Gewicht.

Die Batterieforschung geht aber sehr viele Wege.

CATL liefert bspw. im Tesla Model sogenannte LFP Akkus (LiFePo) aus. Sie werden auch bei einige Plug-in-Hybrid Varinaten von Mercedes-Benz eingesetzt.

Die CATL LFP-Zellen haben bspw. keine Kobalt Anteile mehr. Dadurch sind sie nachhaltiger und günstiger.

Im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen Akkus haben LFP Zellen mehr Ladezyklusen (bis zu 10.000 je nach Akkugröße also bis zu 7 Mio. km). Das ist ein deutlicher Vorteil gegenüber den bekannten Lithium-Zellen mit 1.000 bis 3.000 Zyklen.

Daneben sind die LFP Zellen sicher gegen unkontrolliertes Durchgehen (Brand).

Als Nachteil haben die LFP Zellen jedoch das Problem das sie eine geringere Energiedichte aufweisen und dadurch mehr Volumen benötigen und mehr wiegen. Zudem mögen LFP Akkus keine Kälte.

Mercedes EQS Batterie
Mercedes EQS Batterie (12 Module)

BYD will diesen Nachteil mit der Blade Batterie kompensieren. Dadurch dass diese LFP Zellen mit 96 cm lang, 12 cm breit und 1,4 cm dick sind. Dadurch ist eine einzelene Zelle deutlich größer als die herkömmliche Kobalt-Mangan Lithium-Ionen Zellen (prismatisch, rund oder Pouchzelle). Somit werden weniger LFP Blade im Cell-to-Pack Verfahren in eine Batterie montiert. Aufgrund der geringeren Innenwiderstände in den LFP Zellen benötigt man auch weniger Batteriekühlung. Somit holt man den Energiedichtenachteil auf die gesamte Batterie gesehen wieder auf. Eine herkömmliche Batterie setzt die Batteriezellen erst zu Modulen zusammen und dann werden die Module im Batteriegehäuse zur Batterie montiert und verschaltet. Da man bei den LFP Blades auf die Module verzichtet, kann man sich einiges an Gewicht und Geld sparen.

Die LFP Akkus waren in der jüngsten Vergangenheit für etwas weniger als 100 Dollar die kWh erhältlich. Dies war ein wichtiger Meilenstein.

Mercedes will solche LFP Zellen ab 2024 auch in der MMA Plattform einsetzen.

Der nächste Schritt vor der Feststoffbatterie soll die Natrium-Ionen-Batterie werden

CATL will nun ab 2023 mit der Serienproduktion der Natrium-Ionen Batterie starten.

Sie kann auf denselben Fertigungslinien hergestellt werden. Während aktuell in einer heutigen 100 kWh Batterie (Gewicht rund 700 kg brutto) lediglich 7 kg Lithium enthalten sind benötigt man bei Natrium etwas mehr als die 3-fache Menge (25 kg). Dies ist aber im Gesamtzusammenhang irrelevant. Zudem kann man Natrium bei 580 Grad sehr einfach aus Kochsalz herauslösen.

Aktuell ist die Energiedicht mit 160 Wh/kg noch etwas niedriger als bei den LFP Zellen, aber auch hier will CATL noch einmal Verbesserungen erzielen. Die zweite Generation dieser Natrium-Ionen-Batterie soll schon eine Energiedichte von über 200 Wh/kg aufweisen.

Die Natrium-Ionen-Zellen von CATL verzichten auf eine Kupfer-Alu Folie und setzen ausschließlich auf Alu. Somit ist man hier das teure Kupfer los. Der Elektrolyt ist zudem nicht brennbar. Man hat beim Laden und Entladen noch einmal einen geringeren Innenwiderstand als bei den LFP Zellen. Somit entsteht weniger Abwärme (mehr Effizienz). Der Akku ist dann in 15 min auf 80 % geladen und ist im Gegensatz zum LFP Akku nicht mehr kälteempfindlich (bei -20 Grad stehen noch 90% der Kapazität zur Verfügung). Der Lade-Entladewirkungsgrad liegt normal bei 75%. Die Natrium-Ionen-Batterie soll auf deutlich über 80% kommen. Diese Werte führen dazu, dass die Batterie auch ruhig ein bisschen kleiner, da sie ja mehr Platz benötigt, ausfallen darf um dieselbe Reichweite zu erzielen.

Je nach Batterielayout weisen die Natrium-Ionen-Batterien lt. CATL 1.000 bis 3.000 Ladezyklen auf.

 

Die Natrium-Ionen Batterie kann aber auch das endgültige Verbrenner-Aus bedeuten. Denn pro kWh Batteriekapazität liegen die Kosten aufgrund des günstigen Natriums und dem Verzicht auf Kobalt und Kupfer nur noch bei 35 Dollar pro kWh. Das wäre dann nur noch ein Drittel der aktuellen Kosten.

Das könnte dann auch das endgültige Aus der Wasserstoff-Brennstoffzelle bedeuten.

Aufgrund der höheren Anforderungen an einen Verbrennungsmotor durch die Einführung der EU7 Norm ab ca. 2025 wäre dann erstmalig ein Verbrenner teurer als ein Elektroauto (ohne Förderung).

Natrium-Ionen Hybrid Batterie CATL
Hybrid-Akku: blau NMC Lithium-Ionen Zellen, grau Natrium-Ionen Zellen

Hybrid-Akkus für die Oberklasse

Für Fahrzeuge in der Kompakt- und Mittelklasse wären Natrium-Ionen-Akkus von der Energiemenge ausreichend. Für größere Fahrzeuge spricht CATL von sogenannten Hybrid Akkus. Dort werden Batteriezellen mit Kobalt-Mangan mit Natrium-Ionen-Zellen intelligent verschaltet. Das Batteriemanagement übernimmt die Steuerung. Die Natrium-Ionen-Zellen werden so angeordnet, dass bei einem Kurzschluss in einer Lithium-Ionen-Zelle es zu keiner Kettenreaktion kommt, weil die benachbarte Zelle eine Natrium-Ionen-Zelle ist. Aber die Batterie in Hybrid-Bauweise hätte mehr Kapazität und somit mehr Reichweite.

Die Ladezeit der Natrium-Ionen-Zellen wäre 15 min auf 80%. Die herkömmlichen Zellen wären dann auf 50% geladen. In Summe sollte dies jedoch reichen.

In den nächsten 2-3 Jahren wird es also eine erhebliche Weiterentwicklung im Batteriesektor geben.

Mercedes wird mit Stellantis im Joint-Venture ACC eigene Zellen produzieren, aber auch Zellen bei CATL einkaufen.

Fotos: CATL und Mercedes-Benz

Weitere Informationen:

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