China könnte Natriumbatterien dominieren, der nächste große Fortschritt in der Leistung

In Changsha, tief im Inneren Chinas, gestalten Tausende von Chemikern, Ingenieuren und Fertigungsarbeitern die Zukunft der Batterien.

Die Central South University der Stadt bringt die Absolventen hervor, die die Technologie vorantreiben, ähnlich wie die Stanford University die Karrieren von Unternehmern aus dem Silicon Valley geprägt hat, die Pionierarbeit für Mikrochips leisteten. Auf der anderen Seite des Xiang-Flusses mischen riesige Fabriken Mineralien in die hochverarbeiteten Verbindungen, die wiederaufladbare Batterien ermöglichen.

Diese Batterien, die hauptsächlich aus Lithium bestehen, haben den Aufstieg von Mobiltelefonen und anderer Unterhaltungselektronik vorangetrieben. Sie verändern die Autoindustrie und könnten bald damit beginnen, dasselbe für Solarmodule und Windkraftanlagen zu tun, die im Kampf gegen den Klimawandel von entscheidender Bedeutung sind. China dominiert ihre chemische Raffination und Produktion.

Jetzt positioniert sich China, um die nächste große Innovation bei wiederaufladbaren Batterien zu befehlen: Lithium durch Natrium zu ersetzen, ein weitaus billigeres und häufiger vorkommendes Material.

Natrium, das weltweit als Bestandteil von Salz vorkommt, kostet 1 bis 3 Prozent des Preises von Lithium und ist chemisch sehr ähnlich. Neuere Durchbrüche bedeuten, dass Natriumbatterien nun jahrelang täglich aufgeladen werden können, wodurch ein entscheidender Vorteil von Lithiumbatterien zunichte gemacht wird. Die Energiekapazität von Natriumbatterien hat sich ebenfalls erhöht.

Und Natriumbatterien haben einen großen Vorteil: Sie behalten fast ihre gesamte Ladung, wenn die Temperaturen weit unter den Gefrierpunkt fallen, was Lithiumbatterien normalerweise nicht tun.

In Changsha arbeiten Absolventen des begrünten Campus der Central South University in nahe gelegenen Forschungslabors, die von Unternehmen wie der deutschen BASF, dem weltgrößten Chemieunternehmen, betrieben werden, an der Natriumbatterietechnologie. Eine der ersten großen Fabriken für Natriumbatteriechemikalien entsteht bereits ein paar Blocks von den Laboren entfernt.

Chinesische Batteriemanager sagten in Interviews, dass sie im vergangenen Jahr herausgefunden haben, wie man Natriumbatteriezellen so ähnlich wie Lithiumzellen herstellt, dass sie mit der gleichen Ausrüstung hergestellt werden können. Der chinesische Riese CATL, der weltweit größte Hersteller von Batterien für Elektroautos, hat nach eigenen Angaben einen Weg entdeckt, Natrium- und Lithiumzellen in einem einzigen Batteriepaket für Elektroautos zu verwenden, wodurch die niedrigen Kosten und die Wetterbeständigkeit von Natriumzellen mit der erweiterten Reichweite von Lithium kombiniert werden Zellen. Das Unternehmen sagt, es sei jetzt bereit, diese gemischten Batteriepakete in Serie zu produzieren.

„Wir sind bereit, es zu industrialisieren“, sagte Huang Qisen, der stellvertretende Dekan des Forschungsinstituts von CATL, in einem Interview am Hauptsitz des Unternehmens in Ningde, China. CATL, kurz für Contemporary Amperex Technology Ltd., setzt teilweise auf Chemikalien aus Changsha und baute kürzlich seine erste groß angelegte Montagelinie für Natriumbatterien in Ningde.

Multinationale Konzerne werden auf Natrium aufmerksam.

„Es wird den Spitzenwert der Nachfrage nach Lithium verringern“, sagte Mike Henry, der Vorstandsvorsitzende von BHP, dem weltweit größten Bergbauunternehmen. „Ich bin zuversichtlich, dass Natrium Lithium für bestimmte Anwendungen ersetzen wird.“

Die Forschung zur Verwendung von Natrium für Batterien begann ernsthaft in den 1970er Jahren, damals angeführt von den Vereinigten Staaten. Japanische Forscher haben vor einem Dutzend Jahren entscheidende Fortschritte gemacht. Chinesische Unternehmen haben seitdem die Führung bei der Kommerzialisierung der Technologie übernommen.

Laut Benchmark Minerals, einem Beratungsunternehmen, befinden sich 16 von 20 Fabriken für Natriumbatterien, die derzeit weltweit geplant oder bereits im Bau sind, in China. In zwei Jahren wird China über fast 95 Prozent der weltweiten Kapazität zur Herstellung von Natriumbatterien verfügen. Die Lithiumbatterieproduktion wird zu diesem Zeitpunkt die Natriumbatterieproduktion immer noch in den Schatten stellen, prognostiziert Benchmark, aber die Fortschritte bei Natrium beschleunigen sich.

Auf der Shanghai Auto Show nächste Woche werden Autohersteller und Batteriehersteller voraussichtlich Pläne für Natriumbatterien in zumindest einigen Kleinwagen mit begrenzter Reichweite für den chinesischen Markt bekannt geben.

Die unmittelbar vielversprechendste Anwendung für Natriumbatterien sind elektrische Netze, die Netze aus Drähten und Masten, die Strom übertragen. Batterien für Netze sind ein schnell wachsender Markt, insbesondere in China. Tesla sagte diese Woche, dass es eine Fabrik in Shanghai bauen werde, um Lithiumbatterien für Energieversorger herzustellen.

Natriumbatterien müssen größer sein als Lithiumbatterien, um die gleiche elektrische Ladung zu halten. Das ist ein Problem für Autos, die wenig Platz haben, aber nicht für Stromnetzspeicher. Versorgungsunternehmen, die von Lithium auf Natrium umsteigen, können einfach doppelt so viele große Batterien auf einem leeren Grundstück in der Nähe von Sonnenkollektoren oder Windkraftanlagen platzieren.

Versorgungsunternehmen auf der ganzen Welt haben einen zunehmenden Appetit auf riesige Mengen an Batteriespeichern, da sie auf klimafreundliche Quellen wie Sonne und Wind umsteigen. Sie müssen in der Lage sein, Energie zu speichern, während die Sonne scheint und der Wind weht, und sie später als Ersatz für Strom aus Kohle oder Gas zu verwenden.

Strom in einer großen chinesischen Provinz, Shandong, wird bereits am frühen Abend, wenn die Nachfrage hoch ist, bis zu 20-mal teurer verkauft als am Mittag, wenn das Netz mit mehr Solarstrom geflutet wird, als Fabriken und Haushalte benötigen. Die Stromerzeugungsunternehmen verwenden Lithiumbatterien, um ihren erneuerbaren Strom über mehr Stunden zu verteilen.

Einige Energieversorger, wie die Three Gorges Corporation in West-Zentralchina, beginnen jedoch, mit Natriumbatterien zu experimentieren. Viele Provinzen verlangen, dass neu gebaute Solar- oder Windparks genügend Batterien installieren, um 10 bis 20 Prozent des von ihnen erzeugten Stroms zu speichern, sagte Frank Haugwitz, ein Berater, der sich auf Chinas Solarindustrie spezialisiert hat.

CATL hat Lithiumbatterien in der Größe von Minivans an Ladestationen für Elektroautos in Städten wie Fuzhou installiert. Die Batterien werden automatisch geladen, wenn der Strom günstig ist, etwa über Nacht oder wenn die Sonne auf die Solarzellen auf dem Dach der Ladestation scheint, und stehen bereit, wenn Autofahrer zum Aufladen vorfahren. CATL untersucht, ob Natrium an solchen Orten verwendet werden kann.

Im Gegensatz zu Lithiumbatterien benötigen die neuesten Natriumbatterien keine knappen Materialien wie Kobalt, ein Mineral, das hauptsächlich in Afrika unter Bedingungen abgebaut wird, die Menschenrechtsgruppen alarmiert haben. Auch die neuesten Natriumbatterien kommen ohne Nickel aus, das hauptsächlich aus Minen in Indonesien, Russland und den Philippinen stammt.

Doch während China in Richtung Natriumführerschaft rennt, steht es immer noch vor Herausforderungen. Für den Anfang gibt es, wo man das Natrium bekommt.

Während Salz reichlich vorhanden ist, entfallen auf die Vereinigten Staaten über 90 Prozent der weltweit leicht abzubauenden Reserven für Soda, die wichtigste industrielle Natriumquelle. Tief unter der Wüste im Südwesten von Wyoming liegt ein riesiges Vorkommen an Soda, das vor 50 Millionen Jahren entstanden ist. Soda wird dort seit langem für die amerikanische Glasindustrie abgebaut.

Mit minimalen natürlichen Reserven an kalzinierter Soda und einem Widerwillen, sich auf Importe aus den Vereinigten Staaten zu verlassen, produziert China stattdessen synthetische kalzinierte Soda in Chemieanlagen, die mit Kohle betrieben werden.

Chinas synthetische kalzinierte Sodaindustrie hat eine Aufzeichnung der gefährlichen Wasserverschmutzung. Dazu gehört der Einsturz eines Haufens Alkalischlacke in Ost-Zentralchina im Jahr 2016, der Autos wegspülte und einen großen Fluss verschmutzte. Die Umweltbehörde des Landes arbeitet daran, die Industrie zu bereinigen.

Eine weitere Frage, die über Natrium schwebt, ist, ob Lithium teuer bleiben wird. Die Lithiumpreise haben sich von 2017 bis letzten November vervierfacht, sind seitdem aber um zwei Drittel gefallen.

Es gibt auch Zweifel an der Haltbarkeit von Natriumbatterien. Energieunternehmen wollen sehen, wie sich Natriumbatterien jahrelang im Freien verhalten, nicht nur in Labors, sagte David Fishman, ein Berater für den Energiesektor bei der Lantau Group, einem Beratungsunternehmen.

Aber Mr. Fishman und andere beobachten die Entwicklung von Natriumbatterien jetzt genau. Die Nachfrage nach Batterien wächst schnell, und Lithium wird wahrscheinlich nicht auf unbestimmte Zeit das dominierende Material bleiben.

„Ja, Natrium spielt eine Rolle“, sagte Herr Henry von BHP. „China steht dabei an vorderster Front, wenn es darum geht, die Forschung voranzutreiben.“

Li Du beigetragene Forschung.