Batteriespeicher: Welcher Technologie gehört die Zukunft?

Batterien mit Lithium-Ionen-Technologie sind derzeit noch gängiger Standard für zahlreiche Anwendungen. Die marktbeherrschende Stellung resultiert aus den verschiedenen Vorteilen und Leistungsmerkmalen sowie der Tatsache, dass sie günstig sind. Da der Batteriemarkt stetig wächst und derzeit auf rund 50 Milliarden Dollar geschätzt wird, verwundert es nicht, dass Forschende, Start-ups und Risikokapitalgeber nach Alternativen suchen.

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Natrium-Ionen-Batterien könnten diese Alternative sein. Sie bekamen vor allem viel Aufmerksamkeit, nachdem die durch COVID verursachten Herausforderungen in der Mineralversorgungskette die Lithiumpreise schwer durcheinanderwirbelten. Dennoch könnte es noch einige Jahre dauern, bis Natrium-Ionen-Batterien ein ernst zu nehmender Konkurrent sind, und es wird eine Reihe von technologischen Fortschritten und günstigen Marktbedingungen erfordern.

Batteriespeicher mit großem Potenzial

Natrium-Ionen-Batterien gelten oft als kostengünstiger und ihre Lieferketten als robusteren im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien. Trotz ihres großen Potenzials haben Natrium-Ionen-Batterien immer noch einen schweren Stand. Die Energiemenge, die sie speichern können, ist tendenziell geringer als bei Lithium-Ionen-Batterien. Abgesehen von den möglicherweise niedrigeren Materialpreisen bleiben die Kosten pro gespeicherter Energieeinheit bei Natrium-Ionen-Batterien höher. Das schränkt den Erfolg vorab bereits ein.

Mit neuen Entwicklungen ließe sich das vermutlich ändern. Im Rahmen einer neuen Studie werden die erfolgversprechendsten Forschungsergebnisse auf diesem Gebiet veröffentlicht. Das neue Programm „STEER“, eine Kooperation des Precourt Institute for Energy, der Stanford Doerr School of Sustainability und dem SLAC-Stanford Battery Center, bewertet das technologische Potenzial neuer Energietechnologien und bietet einen Leitfaden, was für die Energiewende benötigt wird. In der neuen Studie wurden mehr als 6.000 Szenarien ausgewertet, um die Robustheit ihrer Roadmaps für das Wettbewerbspotenzial von Natrium-Ionen-Batterien zu testen.

Batteriespeicher –  mit Lithium oder Natrium

„Der Preis für Lithium-Ionen-Batterien ist 2022 zum ersten Mal gestiegen, was bei vielen Fachleuten die Alarmglocken läuten ließ, dass möglicherweise eine Alternative benötigt wird. Natrium-Ionen-Batterien sind vielleicht die überzeugendsten kurzfristigen Herausforderer von Lithium-Ionen-Batterien, und viele Batterieunternehmen kündigten Pläne für einen umfassenden Ausbau der Natrium-Ionen-Fertigung an und versprachen niedrigere Preisen als die etablierten Anbieter“, sagt Adrian Yao, Hauptautor der Studie sowie Gründer und Teamleiter von STEER, das im Oktober 2023 mit der Unterstützung von drei Büros des US-Energieministeriums begann.

„Wir haben erkannt, dass es weitgehend spekulativ ist, ob, wann und wie Natrium-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien preislich unterbieten könnten, insbesondere angesichts des weiter sinkenden Preises für Lithium-Ionen-Batterien“, sagt Yao. „Diese Natrium-Ionen-Studie war das perfekte Unterfangen, um STEER als neuen Weg zu etablieren, um Forschung und Investitionen in die Technologie-Roadmaps zu lenken, die am meisten verfolgt werden sollten, und, was vielleicht noch wichtiger ist, weg von denen, die wahrscheinlich nicht erfolgreich sein werden“, ergänzt Sally Benson, Professorin für Energiewissenschaft und -technik an der Doerr School of Sustainability.

Beim Batteriespeicher kommt es auf die Chemie an

Um im Preiswettbewerb bestehen zu können, insbesondere gegen eine kostengünstige Variante der Lithium-Ionen-Batterie, die als Lithium-Eisen-Phosphat bekannt ist, zeigt die Studie mehrere Schlüsselwege auf. Am wichtigsten ist es, die Energiedichte ohne den Einsatz kritischer Mineralien zu erhöhen. Insbesondere sollten Entwickler die Energiedichte von Lithium-Eisen-Phosphat anstreben und sich gleichzeitig von Nickel entfernen. Derzeit basieren die meisten führenden Natrium-Ionen-Designs auf dem relativ teuren Metall.

Die Preisthematik war allerdings nicht allein Gegenstand der Studie. Es ging den Forschenden vor allem darum, Auswirkungen verschiedener Marktszenarien auf die Rentabilität konkurrierender Technologien aufzuzeigen. Technische Fortschritte werden aus Sicht der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler wahrscheinlich viel mehr dazu beitragen, die Kosten für Natrium-Ionen-Batterien zu senken, als eine reine Produktionssteigerung. Solche Fortschritte und neue Batteriechemien betrachten sie deshalb als wichtige Etappenziele. Frühere Studien gaben zudem einen Hinweis darauf, dass eine breite Nutzung unterschiedlicher Technologien für Netzenergiespeichersysteme die Widerstandsfähigkeit der gesamten Versorgungskette erhöhen könnte. Ein zu starker Fokus auf Lithium-Ionen-Batterien berge dagegen Sicherheits-, wirtschaftliche und geopolitische Risiken.

Batteriespeicher: neue Studie betrachtet auch Lieferkette

In der Studie wird beispielsweise simuliert, wie die Wettbewerbsfähigkeit von Natrium-Ionen beschleunigt würde, wenn es zu Versorgungsengpässen bei Graphit käme – einem kritischen Material, das in Lithium-Ionen-Batterien verwendet wird und bei dem China mehr als 90 Prozent des weltweiten Angebots kontrolliert. Tatsächlich hat China im Dezember 2024 damit begonnen, den Graphit-Export erheblich einzuschränken, und gleichzeitig die Ausfuhr von drei weiteren kritischen Mineralien verboten. Die Studie identifiziert auch Teile der Lieferkette, die die Konkurrenz von Natrium-Ionen gegenüber Lithium-Ionen beeinträchtigen könnten. Wenn beispielsweise die Lithiumpreise weiterhin auf dem heutigen Niveau nahe den historischen Tiefstständen liegen, hat Natrium-Ionen eine begrenzte Anzahl von technologischen Möglichkeiten, um in den nächsten zehn Jahren preislich wettbewerbsfähig zu werden.

„Eine wichtige Erkenntnis, die wir von Branchenexperten gewonnen haben, ist, dass die Preise für Batteriezellen zwar wichtig sind, Technologien aber nur auf Systemebene erfolgreich sind, beispielsweise in einem Elektrofahrzeug oder einem netzgebundenen Batteriespeichersystem. Deshalb erweitern wir jetzt unseren Fokus, um ganzheitlichere Perspektiven zu bieten, einschließlich des Verständnisses der Kosten für Sicherheit und anderer Systemaspekte“, so Yao. STEER plant, den Ansatz auch auf andere Technologiebereiche anzuwenden. Ziel sei es, einen größeren Beitrag zur Energiewende zu leisten.