Erste Generation von Natrium-Ionen-Batterien

CATL bringt neueste “bahnbrechende” Technologie auf den Markt

Die chinesische Contemporary Amperex Technology Co. Ltd. (CATL) hat am 29.07.2021 die erste Generation der Natrium-Ionen-Batterie des Unternehmens vorgestellt, zusammen mit der AB-Batterielösung, die Natrium-Ionen-Zellen und Lithium-Ionen-Zellen in ein Paket integrieren kann. Die nach eigenen Angaben “bahnbrechende” Natrium-Ionen-Batterie “ist ein weiterer Meilenstein des Akku-Giganten CATL und wird eine neue Lösung für die Nutzung sauberer Energie und die Elektrifizierung des Verkehrswesens bieten und damit zur Verwirklichung des Ziels der Kohlenstoffneutralität beitragen.

Durchbruch des Engpasses bei der Natrium-Ionen-Batterietechnologie

Lithium-Ionen-Batterien – Foto © Veronika Neukum für Solarify

Da die Kohlenstoffneutralität zum weltweiten Konsens geworden ist, ist die neue Energiebranche in eine komplexe und diversifizierte Entwicklungsphase eingetreten. Die zunehmend segmentierten Märkte haben zu differenzierten Anforderungen an Batterien geführt. Gleichzeitig wird die weltweite Forschung und Entwicklung von Basismaterialien für Batterien beschleunigt, was die Industrialisierung von Natrium-Ionen-Batterien in beide Richtungen ermöglicht.

Die Natrium-Ionen-Batterie hat ein ähnliches Funktionsprinzip wie die Lithium-Ionen-Batterie. Auch hier pendeln Natriumionen zwischen Kathode und Anode. Im Vergleich zu Lithium-Ionen haben Natrium-Ionen jedoch ein größeres Volumen und stellen höhere Anforderungen an die strukturelle Stabilität und die kinetischen Eigenschaften der Materialien. Dies hat sich zu einem Engpass für die Industrialisierung von Natrium-Ionen-Batterien entwickelt.

CATL widmet sich seit vielen Jahren der Forschung und Entwicklung von Elektrodenmaterialien für Natrium-Ionen-Batterien. Bei den Kathodenmaterialien hat CATL Preußisch Weiß*) mit einer höheren spezifischen Kapazität verwendet und die Struktur des Materials durch Umlagerung der Elektronen neu gestaltet, wodurch das weltweite Problem des raschen Kapazitätsabfalls bei Materialwechseln gelöst wurde. Bei den Anodenmaterialien hat CATL ein Hartkohlenstoffmaterial entwickelt, das sich durch eine einzigartige poröse Struktur auszeichnet, die eine reichliche Speicherung und schnelle Bewegung von Natriumionen sowie eine hervorragende Zyklusleistung ermöglicht.

*) “Preußisch Weiß” ist ein Gerüstmaterial, das aus Natrium, Eisen, Kohlenstoff und Stickstoff besteht. Die großen Poren im Inneren des Materials ermöglichen das Einfangen und Speichern einer Reihe von Atomen oder Molekülen, was die Verbindung für eine Reihe von Anwendungen sehr interessant macht. (altris.se/technology)

Die erste Generation der Natrium-Ionen-Batterien von CATL basiert auf einer Reihe von Innovationen im chemischen System und bietet unter anderem die Vorteile einer hohen Energiedichte, einer schnellen Ladefähigkeit, einer ausgezeichneten thermischen Stabilität, einer hervorragenden Leistung bei niedrigen Temperaturen und einer hohen Integrationseffizienz. Die Energiedichte der Natrium-Ionen-Batteriezelle von CATL kann bis zu 160 Wh/kg erreichen, und die Batterie kann bei Raumtemperatur in 15 Minuten auf 80 % SOC (state of charge – aktueller Ladezustand) aufgeladen werden. Darüber hinaus hat die Natrium-Ionen-Batterie in einer Tieftemperaturumgebung von -20 °C eine Kapazitätserhaltungsrate von mehr als 90 %, und ihre Systemintegrationseffizienz kann mehr als 80 % erreichen. Die thermische Stabilität der Natrium-Ionen-Batterien übertrifft die nationalen Sicherheitsanforderungen für Traktionsbatterien. Die erste Generation von Natrium-Ionen-Batterien kann in verschiedenen Szenarien der Elektrifizierung des Verkehrs eingesetzt werden, insbesondere in Regionen mit extrem niedrigen Temperaturen, wo ihre herausragenden Vorteile deutlich werden. Außerdem kann sie flexibel an die Anwendungsbedürfnisse aller Szenarien im Bereich der Energiespeicherung angepasst werden.

CATL forscht in drei strategischen Entwicklungsrichtungen:

  1. Die erste Entwicklungsrichtung: stationäre fossile Energie durch erneuerbare Energieerzeugung und Energiespeicherung zu ersetzen;
  2. die zweite: mobile fossile Energie durch den Einsatz von EV-Batterien zu ersetzen, um die Entwicklung der E-Mobilität zu beschleunigen;
  3. die dritte: die Integrationsinnovation von Marktanwendungen zu fördern, die Elektrifizierung plus Intelligenz nutzen, um die Entwicklung neuer Energieanwendungen in verschiedenen Bereichen zu beschleunigen.

Um die nachhaltige Entwicklung in diesen drei Entwicklungsrichtungen zu unterstützen, hat CATL ein viersäuliges Innovationssystem aufgebaut, und zwar in den Bereichen Chemie, Struktur, Herstellung und Geschäftsmodelle, um eine schnelle Umwandlung von der Grundlagenforschung zur industriellen Anwendung und dann zur groß angelegten Kommerzialisierung zu erreichen.

Die Grundlagenforschung im Bereich der Materialien und des chemischen Systems ist von großer Bedeutung. Robin Zeng, Vorsitzender von CATL, hat gesagt, dass einige Leute glauben, dass es in der Batteriechemie kaum noch Durchbrüche geben wird und dass nur noch Verbesserungen im Bereich der physikalischen Struktur möglich sind: “Aber wir glauben, dass die Welt der Elektrochemie wie der Energiewürfel ist, in dem es noch viel Unbekanntes zu entdecken gibt. Durch den Einsatz einer Hochdurchsatzberechnungsplattform und einer Simulationstechnologie, die auf unserem tiefgreifenden Verständnis der Prinzipien in Verbindung mit der Anwendung fortschrittlicher Algorithmen und Rechenkapazitäten beruht, führen wir eine eingehende Untersuchung durch, um ein chemisches System zu entwickeln, das für Natrium-Ionen-Batterien am besten geeignet ist, um sie auf die Überholspur zur Industrialisierung zu bringen und kontinuierlich weiterzuentwickeln. Das Entwicklungsziel für die nächste Generation von Natrium-Ionen-Batterien ist eine Energiedichte von über 200 Wh/kg.”

Im Bereich der Batteriesysteminnovation hat CATL einen weiteren Durchbruch bei der Integration von Batteriesystemen erzielt und eine AB-Batteriesystemlösung entwickelt, bei der Natrium-Ionen-Batterien und Lithium-Ionen-Batterien in einem bestimmten Verhältnis gemischt und in ein Batteriesystem integriert werden, wobei die verschiedenen Batteriesysteme durch den BMS-Präzisionsalgorithmus gesteuert werden. Die AB-Batteriesystemlösung kann den derzeitigen Mangel an Energiedichte der Natrium-Ionen-Batterie ausgleichen und auch ihre Vorteile wie hohe Leistung und Leistung bei niedrigen Temperaturen ausbauen. Dank dieses innovativen Aufbausystems werden die Anwendungsszenarien für das Lithium-Natrium-Batteriesystem erweitert.

Mehrdimensionaler Einsatz zur Förderung der Industrialisierung von Natrium-Ionen-Batterien

Qisen Huang, stellvertretender Dekan des CATL-Forschungsinstituts, erklärte, dass die Herstellung von Natrium-Ionen-Batterien perfekt mit den Produktionsanlagen und -verfahren für Lithium-Ionen-Batterien kompatibel ist und die Produktionslinien schnell umgestellt werden können, um eine hohe Produktionskapazität zu erreichen. CATL hat bereits mit der industriellen Einführung von Natrium-Ionen-Batterien begonnen und plant, bis 2023 eine grundlegende industrielle Kette zu bilden. CATL lädt Vorlieferanten und nachgelagerte Kunden sowie Forschungseinrichtungen dazu ein, gemeinsam die Förderung und Entwicklung von Natrium-Ionen-Batterien zu beschleunigen.

Zeng sagte, die Kohlenstoffneutralität habe eine Nachfrage nach Batterien im TWh-Maßstab ausgelöst und die kräftige Entwicklung der neuen Energieindustrie gefördert. Das kontinuierliche Aufkommen von Anwendungsanforderungen habe die Möglichkeit eröffnet, die Fähigkeiten verschiedener Technologien zu präsentieren. Diversifizierte technische Wege würden auch die Stabilität der langfristigen Entwicklung der Branche gewährleisten.

->Quelle: catl.com/665