Natrium- vs. Lithium-Akkus

vom 18.10.2022, 00:34 Uhr
Mr.Spock
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Häufig werden in Foren zu Lithium-Aktien Beiträge gepostet, Lithium-Akkus könnten durch andere Technologien verdrängt werden, z.B. durch bessere Natrium-Akkus. Die Antwort aufgrund chemisch-physikalischen Grundlagen ist: JA, aber ...
 
Es gibt Alternativen zu(r Energiespeicherung mit) Lithium: z.B. H2, NH3, Methanol, Superkondensatoren.
Natrium gehört auf dem Sektor E-Mobilität in PkW-Bereich definitiv NICHT dazu, selbst wenn Chinesen (z.B. CATL) anfangen zu zaubern. Naturgesetze der Chemie und Physik sprechen dagegen!
 
Zu den Basics: Ein Akku besteht aus Anode, Elektrolyt, Kathode (und Gehäuse usw.)
Bei Li-Akkus können alle 3 Komponenten Li enthalten (so wie ein Blei-Akku Pb als Anode und Kathode enthält). Für Interessierte: https://www.batterieforum-deutschland.de/infoportal/lexikon/lithium-ionen-batterien/
Bei Na-Akkus sind mir dazu noch keine Details bekannt geworden, welche der vielen bekannten Kombination z.B. CATL da benutzen will. Einige Technologien hier: https://www.batterieforum-deutschland.de/infoportal/lexikon/filter:n/
 
Das elektrische Potential eines Akkus hängt von den elektro-chemischen Vorgängen an der Kathode und denen an der Anode ab. Der Haupt-Unterschied zwischen Li- und Na-Akkus spielt sich an der Kathode ab!
Lithium und Natrium sind Alkalimetalle (1. Spalte des Periodensystems), was bedeutet, dass jedes Atom EIN Valenzelektron in der äußersten Schale besitzt, welches für (elektro-)chemische Vorgänge eine Rolle spielt. In einem Mol (gut 6*10²³ Atome, deren Masse dem Atomgewicht in Gramm enspricht = Avogadro-Konstante) haben diese Elektronen ein Ladung von exakt 96485 C (Faraday-Konstante) oder 26,8 Ah.
Zur Berechnung der Energiemenge (Ws bzw. kWh) gehört jedoch noch eine SPANNUNG(sdifferenz). Die möglichen Spannungen einer (elektro-)chemischen Redox-Reaktion können aus Tabellen der elektrochemischen Spannungsreihe entnommen werden. Hier Zahlenwerte: das Standardpotential von Lithium ist mit 3,05 V 11% größer(!) als das von Natrium (2,71 V). In der "Normzelle" ergeben sich so eine Energiemenge von 81,74 Wh/mol für Lithium und 72,63 Wh/mol für Natrium. Anodische Vorgänge können diese Differenz nicht ändern!
 
Aber die Energiedichte (oder Leistungsgewicht) wird ja als Energie/Masse spezifiziert. Und hier hat Lithium den UNEINHOLBAREN Vorteil, dass Lithium als Element #3 im Periodensystem das leichteste aller Metalle ist, der leichteste nicht-gasförmige Stoff der Welt. Aus den Atomgewichten Lithium = 6,941 (g/Mol), Natrium = 22,9897 (g/Mol) folgt:
Energiedichte: 11,777 Wh/g Li und nur 3,1593 Wh/g Na. D.h. Na-Akkus erreichen nur 26,8% der Energiedichte einer chemisch äquivalenten Li-Zelle. Da hilft auch keine Zauberei mehr!
 
Natürlich betrifft das nur den Kathodenprozess, wo es um Li oder Na geht. Ich möchte daher damit nicht suggerieren, dass ein Na-Akku fast viermal so schwer ist wie ein Li-Akku. Das Gewicht ist immer auch durch die anderen Komponenten einer Batterie mit geprägt. Aber ein Li-Akku hat immer - bei sonst gleichen Komponenten - einen uneinholbaren Gewichtsvorteil - gegeben durch physikalisch-chemische Gesetzmäßigkeiten!
 
Nichtsdestotrotz sind diverse Konzepte mit Na spannend, da Na 1000x häufiger in der Natur vorkommt als Li (die Weltmeere enthalten 3,5% NaCl => 1,4% Na) und damit wesentlich billiger ist als Li; der Prozess der Gewinnung von Na für Akkus ist aber genauso energieaufwändig wie bei Li (Elektrolyse) und Na ist - in metallischer Form - fast genauso leicht entzündlich!
Für stationäre Lösungen (z.B. Akku-Puffer für erneuerbare Energien) ist es WÜNSCHENSWERT, dass Na da das Rennen macht, da das Li komplett für mobile Anwendungen benötigt wird.
 
Wer da auf dem Laufenden bleiben will, findet hier gute Infos: https://www.batterieforum-deutschland.de/infoportal/lexikon/
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