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Natrium-Ionen-Zellen zur günstigen Energiespeicherung
Eine neue Art von Natrium-Ionen-Batterie könnte sich als praktische Option erweisen, um Strom aus Wind- und Solarparks zu speichern, sagt Jay Whitacre , Professor für Materialwissenschaften und -technik an der Carnegie Mellon University. Whitacres Startup 44 Tech mit Sitz in Pittsburgh, PA, erhält vom US-Energieministerium im Rahmen des Recovery Act 2009 5 Millionen US-Dollar für die Entwicklung der Technologie. Die letzte Woche angekündigte Finanzierung ist Teil eines 620-Millionen-Dollar-Pakets zur Verbesserung des Stromnetzes.
Die Batterien des Startups könnten nicht nur billiger, sondern auch langlebiger sein als bestehende Batterien , sagt Whitacre. Dies würde sie besonders nützlich machen, um große Mengen Strom kostengünstig zu speichern – etwas, das unerlässlich sein wird, um erneuerbare Energien in den USA zur primären Energiequelle zu machen, anstatt nur die ergänzende Quelle, die sie jetzt ist. Eine solche Speicherung macht es praktisch, Energie aus Windkraftanlagen und Solarparks zu speichern, um sie dann zu nutzen, wenn der Wind nicht weht und die Sonne nicht scheint.
Die Natrium-Ionen-Zellen von Whitacre ähneln in gewisser Weise Lithium-Ionen-Zellen – dem Typ, der in tragbarer Elektronik und in einigen Elektrofahrzeugen verwendet wird. Bei beiden Zelltypen werden beim Laden und Entladen Ionen zwischen den positiven und negativen Elektroden der Batterie transportiert, wobei ein Elektrolyt als Medium für die Bewegung dieser Ionen dient. Da Natrium jedoch um Größenordnungen häufiger vorkommt als Lithium, ist es billiger zu verwenden. Um die Zellen noch günstiger zu machen, plant Whitacre, sie mit niedrigeren Spannungen zu betreiben, sodass statt organischer Elektrolyte wasserbasierte Elektrolyte verwendet werden können. Dies sollte die Herstellungskosten weiter senken, da wasserbasierte Elektrolyte einfacher zu verarbeiten sind.
Durch die Umstellung auf wasserbasierte Elektrolyte könnte zudem ein Großteil des in herkömmlichen Lithium-Ionen-Zellen benötigten Trägermaterials eingespart werden, was wiederum die Kosten senkt. Denn die Erhöhung der Ionenleitfähigkeit ermöglicht den Einsatz dickerer Elektroden mit weniger Schichten aus trennenden und stromsammelnden Materialien im Inneren der Zelle.
Grundsätzlich kann ein Natrium-Ionen-System kostengünstig sein, und mit wässrigen Elektrolyten könnte es wirklich kostengünstig sein, sagt Jeff Dahn , Professor für Physik und Chemie an der Dalhousie University in Nova Scotia, Kanada.
Forscher haben sich in der Vergangenheit mit Natrium-Ionen-Batterien befasst, obwohl sie normalerweise Hochspannungen und organische Elektrolyte verwendet haben. Die Verwendung niedrigerer Spannungen verringert die Energiemenge, die die Batterien speichern können – ein Problem für Elektrofahrzeuge, bei denen Platz und Gewicht begrenzt sind. Bei stationären Anwendungen wie der Speicherung erneuerbarer Energie geht es jedoch nur um die Kosten, sagt Whitacre.
Dahn argumentiert, dass Natrium-Ionen-Zellen nicht nur für die Stromspeicherung im großen Maßstab entwickelt werden sollten. Natrium-Ionen-Batterien mit höherer Spannung könnten sich schließlich als viel bessere Lösung als Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge erweisen, sagt er. Bisher wurden sie jedoch in Bezug auf Lithium-Ionen-Batterien nur sehr wenig erforscht. Faktoren, die Forscher davon abgehalten haben – wie die große Größe von Natriumionen und deren Auswirkung auf die Energiemenge, die die Batterien liefern könnten – wurden durch die jüngsten Fortschritte in der Materialherstellung angegangen. Auch der Natriumreichtum könnte diese Batterien äußerst attraktiv machen. Es ist erstaunlich häufiger als Lithium, sagt Dahn. Ich denke, es ist wirklich wichtig, daran zu arbeiten, weiter voranzukommen. Ich hoffe, [das] DOE finanziert auch die nichtwässrige Arbeit.
Bisher befindet sich Whitacres Arbeit noch in einem frühen Stadium. Er hat kleine Batteriezellen im Labor demonstriert und hat abgelegt für ein Patent, das die Technologie abdeckt. Welche Materialien er für die Elektroden und den Elektrolyten verwenden wird, hat er nicht bekannt gegeben, und es sei noch zu früh, konkrete Zahlen zu den Kosten zu nennen, sagt er. Die nächsten Schritte umfassen die Herstellung größerer Prototypbatterien. Ein Teil des 5 Millionen Dollar Preis geht an Carnegie Mellon für Grundlagenforschung.