Ein wirklich seltenes Element ist Lithium nicht gerade, aber in der Erdkruste liegt es fein verteilt vor. Sehr viel zugänglicher ist da ein anderes Alkalimetall - nämlich Natrium. Das steckt im Kochsalz, also etwa im Meerwasser oder in unterirdischen Salzstöcken. Schon alleine wegen seiner Verfügbarkeit kommt es daher als Alternative zu Lithium in Betracht, sagt Philipp Adelhelm, Professor an der Friedrich-Schiller-Universität Jena.
"Es spricht eigentlich nichts dagegen, dass eine Natrium-Ionen-Batterie genauso gut funktionieren kann wie eine Lithium-Ionen-Batterie."
Chemisch gesehen ähneln sich die beiden Elemente: Natrium steht im Periodensystem genau unter dem Lithium, ist also so etwas wie sein "großer Bruder".
"Und es besteht eben die Hoffnung, dass man sagt: Okay, vielleicht lassen sich da günstige Batterien entwickeln. Vielleicht jetzt nicht in den nächsten fünf bis zehn Jahren, aber vielleicht wird irgendwann wirklich die Ressource Lithium kritisch. Deshalb muss man da auch lange in die Zukunft denken, vielleicht 20, 30, 40 Jahre. Und da dann letztlich Alternativen zu haben, ist wichtig. Und da die Entwicklungszeiten von Batterien sehr lang sind, ist es immer gut, sich alternative Zellchemien anzuschauen."
Lithium raus aus der Zelle und Natrium rein - ganz so einfach funktioniert es dann doch nicht. Denn der Radius der geladenen Atome, der Ionen also, ist beim Natrium deutlich größer als beim Lithium.
"Dadurch, dass das Ion größer ist, ändert sich wirklich die Chemie. Also die Materialien, die in der Batterie sind, die haben dann eine andere Kristallstruktur. Und dann ändert sich, wenn man so will, alles. Es ist nicht trivial, es ist kein einfacher Austausch, sondern man ist da meistens mit Überraschungen konfrontiert."
Besonders deutlich wird das bei den Materialien, aus denen die Elektroden bestehen. Beim Lithium-Ionen-Akku wandern die Metallionen beim Laden zum negativen Pol hin und lagern sich dort in die Elektrode ein. Die besteht üblicherweise aus Grafit, in dessen Schichtstruktur die Ionen sich mit Leichtigkeit hinein schieben können. Beim Natrium hingegen funktioniert das nicht. Philipp Adelhelm und seine Mitarbeiter haben sich daher einen Trick einfallen lassen: Zu dem Elektrolyten, also der Flüssigkeit im Inneren der Batterie, haben sie eine Komponente hinzugefügt, die als Vermittler zwischen den Ionen und den Grafitschichten dient.
"Der spezielle Elektrolyt bewirkt in dem Fall von Natrium, dass Elektrolyt-Moleküle gemeinsam mit dem Natrium-Ion in diese Grafit-Struktur eindringen, und erst dadurch wird die Speicherung von Natrium-Ionen in Grafit ermöglicht."
Auch die Elektrode am Pluspol besteht aus Materialien, die in Schichten aufgebaut sind und beim Entladen die Lithium-Ionen aufnehmen. Mit Natrium funktioniert das zwar auch, aber die Spannung des Akkus schwankt dann beim Laden oder Entladen. Deshalb suchen derzeit Materialforscher nach einer Alternative zu dem häufig verwendeten Material Lithium-Kobalt-Oxid.
"Das heißt, da wird dann Kobalt teilweise substituiert durch andere Übergangsmetalle, und so kann man versuchen, die Materialeigenschaften zu tunen und so das ideale Elektrodenmaterial zu erhalten. Aber auch da ist man noch am Anfang der Forschung, und hier gibt es noch viel zu tun."
In einer Hinsicht wird der Natrium-Ionen-Akku jedoch nie mit den Lithium-Zellen mithalten können: im Punkt der Energiedichte - und damit beim Gewicht der Batterien. Daher dürften sich Energiespeicher auf Basis von Natrium eher für größere, fest installierte Anlagen eignen, etwa als Puffer für eine Solaranlage.
"Da ist dann vielleicht die Energiedichte und das Volumen, wenn man so will, gar nicht so relevant, das heißt für die Elektrofahrzeuge ist die Lithium-Ionen-Batterie wahrscheinlich alternativlos erst mal. Aber für stationäre Speicher, da zählen andere Kriterien, und da hat Natrium sicher auch eine Chance."