Der Anbieter von Batterieanalytik-Software, Twaice aus München hat ein neues Simulationsmodell für Natrium-Ionen-Batterien entwickelt. Dieses soll dabei helfen, die Funktions- und Betriebsweise von Natrium Ionen-Batterien besser zu verstehen und sie als Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien einzusetzen. Erste natriumbasierte Batterien sind bereits im Einsatz, auch in Elektroautos aus China. Doch ein wenig Forschungsarbeit sei dennoch zu tun. Das erklärte Jonas Keil, technischer Leiter der Batterietechnik bei Twaice.
Der Elektroingenieur beschäftigt sich seit vielen Jahren mit Stromspeichern verschiedenster Art. Für Twaice in München ist er seit 2020 tätig.
Herr Keil, wie sieht das Simulationsmodell aus und wie kann das Modell die Kunden beim Einsatz von Batterien unterstützen?
Unser Simulationsmodell für Natrium-Ionen-Batterien ist grundsätzlich sehr ähnlich zu unseren Simulationsmodellen für Lithium-Ionen-Batterien. Die Zellchemie der Batterie, die hier simuliert wird, ist jedoch eine andere. Wir bieten gekoppelte, physikalische, elektrisch-thermische Alterungsmodelle an. Die Modelle eignen sich für eine Vielzahl von Anwendungsfällen, wie zum Beispiel das Verständnis und die Optimierung des Betriebs auf die Alterung, oder die optimale Auslegung und Vermeidung der Überdimensionierung einer Batterie. Die technischen Outputs des Modells sind elektrische Parameter (Spannung, Strom, Leistung, SoC), thermische Parameter (Temperatur, Verlustleistung) und Alterungsparameter (SoHc, SoHr), die Analysen zu den genannten Anwendungsfällen ermöglichen. Mit unserem Simulationsmodell erhalten Kunden Aussagen darüber, wie sich Natrium-Ionen-Batterien verhalten und wie sie altern. Mit diesen Einblicken verstehen unsere Kunden besser, ob sich Natrium-Ionen-Batterien für ihre nächsten Projekte und Vorhaben eignen.
Verwenden Sie in Ihrem Modell auch künstliche Intelligenz?
Methoden der künstlichen Intelligenz und des maschinellen Lernens kommen an verschiedenen Stellen zum Einsatz: im Testdesign, in der Auswertung und Aufbereitung der Testergebnisse sowie im Aufbau und in der Parametrierung des Modells.
Welche Eigenschaften besitzt eine gealterte Natrium Ionen-Batterie im Vergleich zu einer neuen?
Eine gealterte Natrium-Ionen-Batterie zeigt, wie bei Lithium Ionen-Batterien, aufgrund komplexer Alterungsmechanismen eine Abnahme der Kapazität und eine Zunahme des Widerstands beziehungsweise der Impedanz. Daraus ergibt sich, dass die Energie- und Leistungsfähigkeit der Zelle abnimmt. Verschiedene Alterungsmechanismen können sowohl im Betrieb (zyklische Alterung) als auch außerhalb des Betriebs, das heißt während der Lagerung (kalendarische Alterung) auftreten.
Prüfung von Batterien im Forschungszentrum von Twaice in München. Fotos: Twaice
Welche Einblicke haben Sie bereits in die Alterungsprozesse von Natrium-Ionen-Batterien erhalten? Wann erwarten Sie erste Ergebnisse aus den Simulationen?
Wir testen und charakterisieren Natrium-Ionen-Batterien in unserem internen Battery Research Center. Hierbei erzielen wir Einblicke in die Alterungseffekte wie Kapazitätsabnahme und Widerstands-/Impedanz-Zunahme, die in unserem Alterungsmodell abgebildet werden. Darüber hinaus erhalten wir Einblicke in die Degradation Modes (Loss of Lithium Inventory, Loss of Active Ano de Material, Loss of Active Cathode Material), um Rückschlüsse auf die zugrunde liegenden Alterungsmechanismen zu ermöglichen. Batteriealterung ist komplex – sowohl für Natrium-Ionen-Batterien als auch für Lithium-Ionen-Batterien. Mit unseren Modellen lassen sich Einblicke in die Alterung ermöglichen und die einzelnen Effekte der Alterung besser verstehen.
In Kooperation mit dem Branchendienst energate.
Wie schätzen Sie das Potenzial von Natrium-Ionen-Batterien im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien ein?
Natrium-Ionen-Batterien sind aufgrund ihrer Materialien eine vielversprechende Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien. So ist Natrium weltweit reichlich vorhanden und umweltverträglicher als Lithium. Im Moment haben Natrium-Ionen-Batterien mit etwa 90-150 Wattstunden (Wh) pro Kilogramm (kg) noch eine geringere Energiedichte als Lithium-Batterien. Zukünftige Entwicklungen deuten auf Energiedichten von 200 Wh/kg hin. Weitere Vorteile in der Lebensdauer, den Kosten, der Sicherheit und der Performance können sich ergeben.
Wann ist mit einer echten Marktreife der Natrium-Ionen Batterien zu rechnen?
Es gibt bereits heute erste kommerziell verfügbare Natrium Ionen-Batterien. Die Technologie befindet sich aktuell zwischen fortlaufenden Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten und Skalierungsaktivitäten im Großserienmaßstab. Es wird wie bei der Lithium-Ionen-Batterie verschiedene Material- und Zelltechnologien mit spezifischen Vor- und Nachteilen geben.