Es kommen verschiedene Anodenmaterialien zum Einsatz, wobei Nadelkoks nach wie vor der gängigste Rohstoff ist.
Nadelkoks ist der wichtigste Rohstoff für die Herstellung von negativen Elektrodenmaterialien. Die Rohstoffe für negative Elektrodenmaterialien lassen sich in kohlenstoffhaltige und nicht-kohlenstoffhaltige Materialien unterteilen. Aktuell sind auf dem Markt erhältliche Rohstoffe für negative Elektrodenmaterialien, darunter künstliches Graphit und Graphit-Negativmaterialien (zu den kohlenstoffhaltigen Materialien), sowie Nadelkoks, Petrolkoks und andere Rohstoffe erhältlich.
Die traditionellen künstlichen Graphitmaterialien weisen Vor- und Nachteile auf. Zu den Vorteilen künstlicher Graphitanodenmaterialien zählen die hohe elektrische Leitfähigkeit, der große Lithiumionen-Diffusionskoeffizient, die hohe Lithiumspeicherkapazität und das niedrige Lithiumspeicherpotenzial sowie die Sicherheit und Stabilität. Zudem sind Graphitmaterialien weit verbreitet und kostengünstig. Dank dieser technologischen Vorteile, des Preises und der etablierten Zulieferindustrie wird künstlicher Graphit als negatives Elektrodenmaterial in den nächsten Jahren weiterhin führend sein. Allerdings weisen künstliche Graphitanodenmaterialien auch Entwicklungsnachteile auf. So liegt die Grammkapazität nahe am theoretischen Wert von 372 mAh/g, was weitere Anwendungsmöglichkeiten einschränkt. Daher steht die Forschung und Entwicklung alternativer Anodenmaterialien ganz oben auf der Agenda.
Aktuell liegt ein Forschungsschwerpunkt auf der Entwicklung von Natriumionenbatterien mit Hartkohlenstoff-Anodenmaterialien. Diese Batterien sind kostengünstig und können mit bestehenden Produktionsprozessen hergestellt werden. Die mikrokristalline Graphitstruktur der Hartkohlenstoff-Negativelektrode ist unregelmäßiger und chaotischer als die von Weichkohlenstoff und weist einen gewissen Anteil an Mikroporen auf. Dies führt zu einer hohen Natriumspeicherkapazität und einem niedrigen Natriumspeicherpotential. Die Rohstoffe für Hartkohlenstoff-Negativelektroden sind reichlich vorhanden und kostengünstig. Lignin, Saccharose, Glucose, Erdnussschalen, Bananenschalen, Kohle, oxidierter Asphalt usw. können als Kohlenstoffquelle dienen. Dadurch sind die Rohstoffkosten niedrig und die Batterie insgesamt wirtschaftlich. Hartkohlenstoff ist derzeit das ideale Anodenmaterial für Natriumionenbatterien.
Ein weiterer Ansatzpunkt ist die Entwicklung von Siliziumanoden. Siliziumanoden weisen die höchste theoretische spezifische Massenkapazität (3580 mAh/g bei Raumtemperatur) und reichhaltige Ressourcen auf und bieten Lithiumionen-Einlagerungs- und -Freisetzungskanäle aus allen Richtungen. Sie besitzen ein hohes Lithium-Ionen-Potenzial, ein exzellentes Schnellladeverhalten sowie hohe Sicherheit und Kapazität und gelten daher als vielversprechende Kandidaten für die nächste Generation von Negativelektrodenmaterialien. Allerdings unterliegt Silizium als Negativelektrodenmaterial aufgrund der kontinuierlichen Kontraktion und Expansion beim Laden und Entladen großen Volumenänderungen, was die Zyklenlebensdauer der Batterie beeinträchtigt.
Die Entwicklung und Anwendung neuer Anodenmaterialien benötigt Zeit, um die Herausforderungen der industriellen Umsetzung zu bewältigen. Bis 2026 wird die Produktionsmenge an Anodenmaterialien voraussichtlich 3,6 Millionen Tonnen erreichen. Da die Gesamtmenge an Hartkohlenstoff- und Silizium-basierten Anoden bei etwa 400.000 Tonnen liegt, ist es unwahrscheinlich, dass künstliche Graphitmaterialien in den nächsten drei bis fünf Jahren ihre dominante Stellung behaupten können. Daher bleiben Nadelkoks und Petrolkoks auch zukünftig die wichtigsten Rohstoffe für negative Elektrodenmaterialien. Mit der weiteren Steigerung der Produktionskapazitäten für negative Elektrodenmaterialien im Jahr 2023 ist der steigende Bedarf an Nadelkoks unumkehrbar.