Akku für Elektroautos 06.08.2021, 14:03 Uhr

Natrium-Ionen-Batterie: CATL mixt Zell-Chemie und löst weltweites Problem

CATL bringt eine neue Natrium-Ionen-Batterie auf den Markt, die alles andere als revolutionär erscheint. Dennoch löst die Entwicklung ein weltweites Problem in der Elektromobilität.

Natrium-Ionen-Batterie der ersten Generation

Die Natrium-Ionen-Batterie der ersten Generation.

Foto: CATL

CATL hat eine neue Natrium-Ionen-Batterie vorgestellt, die 2023 ausgeliefert werden soll. Erstaunlich ist, dass die Batterie keine höhere Energiedichte aufweist. Ansonsten überbieten sich die Hersteller in ihren Entwicklungen, doch der chinesische Batteriezellenfertiger Catl setzt auf andere Aspekte.

Die neue Batterietechnologie soll Vorteile bei der Schnellladung und Kompatibilität haben. Das ist für Auto-Akkus besonders wichtig. Die nächste Generation von Auto-Akkus basiert nicht auf den üblichen Lithium-Ionen-Zellen, sondern auf Natrium-Ionen. Die Batterie kommt also ohne Kobalt und Lithium aus. Wir berichteten schon hier, dass Lithium ernsthafte Konkurrenz bekommt. Catl habe zudem eine gemischte Anwendung von Lithium-Ionen- und Natrium-Ionen-Zellen entwickelt. Diese neue Zell-Chemie eignet sich für die Cell-to-Pack-Technologie des Herstellers und kann in Elektroautos integriert werden – und das gänzlich ohne Batteriemodule.

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Bis 2030 will Catl seine Batteriezellen unmittelbar in die Karosserie von Elektroautos integrieren. Die „Cell-to-Chassis“-Technologie würde Kosten sparen und zusätzliche Reichweite bringen.

Neue Natrium-Ionen-Batterie liefert stabile Leistung

Der klare Vorteil der neuen Natrium-Ionen-Batterie liege laut dem Hersteller aus China in der Stabilität. Was zunächst langweilig klingt, spielt hinten raus Vorteile aus. Die Batterietechnik habe eine hohe thermische Stabilität. Die Zell-Chemie behalte auch bei niedrigen Temperaturen ihre Leistung. Ein klarer Vorteil für Elektroautos im Winter. Wie Sie Ihr Elektroauto winterfest machen.

Herrschen draußen knackig-kalte -20 Grad Celsius, besitze die Batterie eine Entladungsrate von mehr als 90 Prozent. Die Entwickler von Catl bezeichnen das als „hervorragend“. Zudem soll die Natrium-Ionen-Batterie gute Multiplikator-Fähigkeiten aufweisen. Das heißt, dass die Ladeleistung nicht so stark während des Ladevorgangs sinkt. In 15 Minuten soll sich ein Natrium-Ionen-Pack von Catl auf 80 Prozent Kapazität laden lassen.

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Energiedichte weist keinen guten Wert auf

Mankos gibt es bei der Energiedichte, denn diese liegt bei der Batteriechemie bei 160 Wattstunden pro Kilogramm. Dieser Wert ist nicht gut. Lithium-Ionen-Akkus weisen zum Beispiel eine Energiedichte von 180 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg) auf – je nach verwendetem Kathoden-Material. In der Regel Kobaltoxid verbaut. Laut Catl liege die Energiedichte niedriger als bei den Lithium-Ionen-Pendants. Doch einen Kniff haben die chinesischen Entwickler noch: Dank Hartkohlenstoff-Materialien an der negativen Elektrode verbessere man die niedrige Energiedichte.

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Im nächsten Schritt soll eine Batterie-Generation mit einer Dichte von 200 Wattstunden pro Kilogramm entstehen, welche die Lithium-Ionen-Methode auf den zweiten Platz verweist. Bis die erste Generation der Natrium-Ionen-Zellen marktreif war, musste das Unternehmen laut eigenen Angaben „strenge Anforderungen an die Materialstrukturstabilität und das dynamische Verhalten“ lösen. Die Herausforderung des raschen Kapazitätsabfalls habe man auch in den Griff bekommen.

Dr. Robin Zeng, Gründer und Vorsitzender von CATL, bei der Präsentation der neuen Meilensteine des Unternehmens. Foto: CATL

Dr. Robin Zeng, Gründer und Vorsitzender von CATL, bei der Präsentation der neuen Meilensteine des Unternehmens.

Foto: CATL

Mix der Zell-Chemie erlaubt parallelen Einsatz von Akku-Arten

Die neue Batteriesystemlösung ermöglicht dennoch eine kleine Revolution – nämlich den parallelen Einsatz der beiden Akku-Arten. Catl geht hier ungewohnte Wege der Integration in Elektroautos. Lithium-Ionen- und Natrium-Ionen-Zellen könnten in einem gewissen Verhältnis gemischt auch zusammen in dasselbe Batteriesystem integriert werden. Daraus entsteht ein smartes Batteriemanagement, das die Schwächen des jeweiligen Systems ausgleicht. Die schwächere Energiedichte der Natrium-Ionen-Batterien werde „in diesem Stadium“ ausgeglichen und kann so ihre eigenen Vorteile wie hohe Leistung und niedrige Kapazitätsverluste bei Kälte ausspielen.

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Warum galten Natrium-Ionen-Akkus lange Zeit als ungeeignet?

Natrium-Ionen-Akkus sind kälteresistenter, sicherer und lithiumfrei. Doch lange Zeit galten sie als ungeeignet für einen Einsatz in der Elektromobilität. Das liegt an der recht niedrigen Energiedichte. Catl schafft nun die kommerzielle Anwendung. Neben dem Tesla-Lieferanten hat die britische Firma Faradion, in Partnerschaft mit dem größten britischen Akkuhersteller AMTE, ebenfalls einen Launch von Natrium-Ionen-Batterien angekündigt.

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Die Energiedichte von Natrium-Ionen-Akkus verbessert sich stetig, sodass sie neben den gängigen Lithium-Akkus zu einer echten Alternative für den Einsatz in E-Autos werden können. Dieser Batterietyp verbraucht zudem weniger Verpackungsmaterial. Die Lebensdauer der Natrium-Ionen-Akkus liegt bei 1.000 vollen Ladezyklen – das ist vergleichbar mit Nickel-basierten Lithium-Ionen-Batterien.

Neue Natrium-Ionen-Batterie für die industrielle Fertigung

Laut Catl ließen sich Produktionsanlagen schnell auf das neue Batteriesystem umstelle, da das Verfahren der Lithium-Ionen-Herstellung ähnlich sei. Vorbereitungen laufen bereits. Produziert werden soll ab 2023. Catl stellt Batteriezellen für Tesla, Mercedes und VW her. Für Marken wie Tesla bedeutet die Zell-Chemie der Chinesen ebenfalls einen Meilenstein, denn das weltweite Problem des schnellen Kapazitätsschwunds entfällt. Außerdem akzeptieren einige Autohersteller bereits eine niedrigere Energiedichte. Robin Zeng, Vorsitzender von Catl, sagte, dass einige Leute glauben, dass das Batteriechemiesystem kaum noch Durchbrüche mehr erzielen wird.

„Aber wir glauben, dass die Welt der Elektrochemie wie der Energiewürfel ist, in dem es noch viele Unbekannte zu entdecken gibt“, so Zeng.

Das Unternehmen widmet sich seit Jahren der Erforschung und Entwicklung von Elektrodenmaterialien für Natrium-Ionen-Batterien. In Zukunft kann das ein klarer Wettbewerbsvorteil sein, denn die Ressourcen von Lithium werden schon jetzt knapper.

Catl schließt neuen Liefervertrag mit Tesla

In China beliefert Catl Tesla mit Batterien für das Elektroauto Model 3. Die Zusammenarbeit wurde nun für mehrere Jahre verlängert.

Der aktuelle Vertrag läuft im Juni 2022 aus. Bis 2025 wurde der Liefervertrag verlängert. Eine neue Batteriefabrik soll nahe des Tesla-Werks in Shanghai entstehen. Zum Auftrag der Zell-Chemie gibt es noch keine Informationen. Aktuell beliefert Catl Tesla noch mit Lithium-Eisenphosphat-(LFP)-Batteriezellen. Tesla plant in Shanghai ein E-Auto Modell für einen Verkaufspreis von 25.000 Dollar zu produzieren.

Fachkräftemangel bei Catl

Innovative Batterie-Lösungen entstehen oftmals gemeinsam im Team. Gut ausgebildete Fachkräfte tüfteln an Reichweitensteigerung und Co. Doch genau hier liegt eine Herausforderung bei dem Batterie-Riesen aus China vor: Es mangelt an Fachkräften. Vor allem in Europa ist guter Rat teuer. Die Fabrik in Arnstadt ist besonders betroffen. Hier arbeiten „erst“ 230 Angestellte. Zudem gestalte sich das Miteinander zwischen chinesischen und deutschen Mitarbeitenden schwierig. Anfang 2022 soll hier die Produktion starten. 2.000 Mitarbeiter sollen es werden. Durch die Corona-Pandemie hinke das Unternehmen ebenfalls hinterher. 1,8 Milliarden Euro will Catl noch investieren. Der Schwerpunkt der Investitionen in Erfurt liegt laut dem Unternehmen auf der automatisierten Produktion und intelligenten Herstellung von Batteriezellen.

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Ein Beitrag von:

  • Sarah Janczura

    Sarah Janczura

    Sarah Janczura ist Content Manager und verantwortliche Redakteurin für ingenieur.de. Nach einem Volontariat mit dem Schwerpunkt Social Media war sie als Online-Redakteurin in einer Digitalagentur unterwegs. Sie schreibt über Technik, Forschung und Karrierethemen.

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