Die Erfindung der Lithium-Ionen-Batterie hat unseren Alltag revolutioniert. Nicht nur das handliche Smartphone, sondern auch kleine Laptops mit langer Batterielaufzeit wurden dadurch möglich. Darüber hinaus hat die Batterie die Elektromobilität alltagstauglich gemacht. Doch wie sieht es mit der Nachhaltigkeit des kleinen Stromspeichers aus?
Ein Beitrag von Dr. Thomas Müssig-Pabst
Der Klimawandel induziert ein Umdenken in der Energie- und in der Verkehrspolitik. Neue, CO2-freie Techniken in der Energieerzeugung und beim Antrieb von Fahrzeugen erfordern leistungsfähige und kostengünstige Energiespeicher. Noch nie wurden die unterschiedlichen Möglichkeiten zur Energiespeicherung so intensiv diskutiert wie heute.
Die Technologien im Vergleich
Im Bereich Elektromobilität bilden drei Technologien den Schwerpunkt der heutigen Forschung: Batterie, Wasserstoff und E-Fuels. Ein Vergleich der Energiebilanz dieser drei Technologien am Beispiel des Autos zeigt, dass die Wasserstoff- und insbesondere die E-Fuels-Technologie aufgrund der Komplexität im Herstellungsprozess im Vergleich zur Batterie extrem energieaufwendig sind.
E-Fuels vs. Wasserstoff
Die Herstellung von 1 Liter E-Diesel mit der Synthese aus CO2, Wasserstoff und elektrischer Energie benötigt 27 kWh elektrische
Energie. Ein durchschnittlicher Verbrauch eines Diesel-Pkws beträgt real ca. 6 Liter Diesel auf 100 Kilometer. Daraus ergibt sich ein Energieaufwand von etwa 170 kWh für eine Reichweite von 100 Kilometern. Zum Vergleich: Mit dieser Energiemenge kann ein E-Auto 1.000 Kilometer weit fahren, hat also die zehnfache Reichweite bei gleichem Energieaufwand. Wenn man bedenkt, dass man bei der Produktion von E-Fuels weiterhin lokale Emissionen von Stickoxiden, Ruß und Lärm hat und eine Tankfüllung ohne Steuer zwischen 300 und 400 Euro kostet, erscheint diese Technologie absurd und kann bestenfalls dort eingesetzt werden, wo Batterieantriebe nicht möglich sind. Bei Fahrzeugen mit Brennstoffzellen und Wasserstoff sieht die Bilanz zwar etwas günstiger aus. Bedenkt man jedoch, dass die Kosten für eine Wasserstofftanksäule 1.000-mal höher sind als für eine Ladesäule, man nur 40 Fahrzeuge am Tag an einer Säule mit Wasserstoff befüllen kann und nach maximal 65 Tankfüllungen die Tankstelle mit einem Tanklastzug wieder befüllt werden muss, erscheint auch diese Technologie für einen Massenmarkt nicht sinnvoll.
So funktioniert die Lithium-Ionen-Batterie
Deshalb liegt der Schwerpunkt der Forschung weltweit inzwischen in der Weiterentwicklung des Batteriespeichers. Akira Yoshino entwickelte 1985 die erste kommerziell einsetzbare Lithium-Ionen-Batterie, eine leichte, strapazierfähige Batterie, die sich Hunderte Male aufladen ließ, bevor sich ihre Leistung verschlechterte. Die Anode einer typischen Lithium-Ionen-Zelle ist mit Nickel und Kobalt (oft auch zusätzlich Mangan), die Kathode mit Grafit beschichtet. Zwischen den Elektroden befindet sich ein Elektrolyt, der den Stromfluss ermöglicht. Die positiven und negativen Ladungsträger werden durch einen Separator getrennt, um einen Kurzschluss zu vermeiden. Wird ein Verbraucher angeschlossen, geben die Lithium-Atome Elektronen ab. Diese wandern über den Verbraucher von der positiven zur negativen Elektrode. Gleichzeitig wandern die Lithium-Ionen von der positiven Elektrode zur negativen, wo sie in einer Grafitstruktur eingelagert werden. Beim Aufladevorgang läuft der umgekehrte Prozess ab.
Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien
Bedingt durch Erfahrungen mit früheren Batterietechnologien und mit Handybatterien besteht immer noch der Glaube, dass Batterien keine hohe Lebensdauer haben und dass das Aufladen viel Zeit in Anspruch nimmt. Allerdings hat eine Lithium-Ionen-Batterie eine Zyklenfestigkeit (Anzahl von kompletten Auf- und Entladevorgängen) von mindestens 1.000 bis 2.000. Bei einem Fahrzeug mit einer Reichweite von 400 Kilometern bedeutet dies eine Laufleistung von mindestens 400.000 Kilometern, bis die Batterie eine Kapazität von 70 Prozent erreicht hat. Dies ist der Grund, weshalb die Alterung der Batterien zumindest in der Elektromobilität keine große Rolle spielt.
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Elektromobilität nimmt an Fahrt auf
Im Jahr 2020 stieg die Zahl der Neuzulassungen von E-Autos laut einer Auswertung des Zentrums für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) um 38 Prozent. Damit stieg der weltweite Bestand an E-Autos auf ein neues Rekordhoch von 10,9 Millionen. Die gesamte Auswertung finden Sie hier:
Die herkömmliche Batterie bringt nicht nur Vorteile mit sich
Diese Technologie bringt aber auch soziale und umweltpolitische Nachteile mit sich. Auch wenn die Lithiumvorkommen weltweit für die Elektromobilität ausreichen würden, ist deren Abbau teuer und umweltpolitisch kritisch zu betrachten. Der Abbau des Lithiums in der Atacama-Wüste in Chile führt z. B. zur Absenkung des Grundwasserspiegels, was für die dort lebenden Menschen ein Problem darstellt. In anderen Abbaugebieten, etwa in den USA und in China, ist durch bessere Techniken die Umweltbelastung deutlich geringer. Der Abbau der Rohstoffe, insbesondere von Kobalt, ist jedoch unter anderem durch Kinderarbeit in privat geführten kleinen Minen im Kongo in Verruf geraten. Der unkontrollierte Abbau von Kobalt sinkt stetig und liegt bereits unter 20 Prozent. Deshalb, und auch wegen des hohen Preises, ist man bestrebt, Kobalt, Mangan und auch Lithium zu ersetzen und gleichzeitig die Energiedichte zu erhöhen. Auch die Herstellung der Batterien ist sehr energieintensiv und die damit einhergehende CO2-Last ist hoch.
Intensive Weiterentwicklung der Lithium-Technologie
Batterien gehen auch umweltfreundlich, wie die
aktuelle Forschung beweist © macrovector – Freepik
Obwohl die Energiedichte gestiegen und die Batteriepreise in den letzten Jahren gefallen sind, ist die Industrie auf der Suche nach billigeren Rohstoffen und energetisch reduzierten Produktionsprozessen bei gleichzeitiger Erhöhung der Energiedichte. Dabei werden zwei Wege verfolgt: zum einen die Entwicklung einer Lithiumbasierten Batterie ohne Kobalt, zum anderen eine völlig neue Batterietechnologie ohne Lithium und Kobalt. In beiden Fällen müssen insbesondere im Automobilbereich mehrere Bedingungen erfüllt sein: geringere Herstellungskosten, höhere Energiedichte, höhere oder gleiche Zyklenfestigkeit, höhere Sicherheit und höhere Schnellladefähigkeit. Tesla geht momentan den Weg, die Lithium-Ionen-Batterie zu optimieren. Bisher wurde in der klassischen Batterie der Kobaltanteil von ursprünglich 16 Prozent auf 2 Prozent reduziert. Trotz optimierter Chemie wird die Schnellladefähigkeit nicht verbessert. Offenbar scheinen andere Hersteller mit einem hohen Kobaltanteil zu arbeiten, um mit der hohen Schnellladefähigkeit einen Marktvorteil zu erhalten.
So forscht Marktführer Tesla
Letztes Jahr hat Tesla eine neue Lithium-Technologie vorgestellt. Es wurde der Nickelanteil erheblich erhöht. Statt Grafit wird Silizium auf der Kathode verwendet, außerdem wurde das Zellvolumen erheblich erhöht. Die Kontakte der Elektroden wurden über die ganzen Zellen gezogen, um den Innenwiderstand zu verringern, wodurch die Schnellladefähigkeit erheblich gesteigert werden kann. Dies alles führt zu einer Reichweitenerhöhung der Fahrzeuge von über 50 Prozent und einer Kosteneinsparung von ebenfalls über 50 Prozent.
Die Produktion dieser neuen Zellen, die bereits Anfang nächsten Jahres in die Fahrzeuge eingebaut werden sollen, hat bereits begonnen. Parallel verwendet Tesla die kostengünstigen, sehr zyklenfesten, sicheren und kobaltfreien Lithium-Eisenphosphat (LiFePhO4)-Batterien (hier wurden Nickel, Kobalt, Mangan durch Eisenphosphat ersetzt) für Fahrzeuge mit kleineren Reichweiten von ca. 500 Kilometern.
Forschungsdurchbruch kommt aus China
Neben Tesla gibt es andere Firmen, die die Lithium-Technologie weiter verbessern. So hat die Firma SVOLT bereits eine Nickel-Mangan-Batterie auf dem Markt, die ohne Kobalt auskommt und eine höhere Energiedichte als LiFePhO4-Batterien besitzt. Ein Durchbruch in der Forschung gelang dem weltweit größten Batterieproduzenten, der chinesischen Firma CATL. Sie hat eine Natrium-basierte Batterie entwickelt. Die Rohstoffe für diese Batterie bestehen hauptsächlich aus Braunkohle für die Anode und aus Preußischblau, also einer metallorganischen Verbindung, für die Kathode. Das Trägermaterial für die Elektroden besteht nur aus Aluminium. Als Elektrolyt wird Salzwasser eingesetzt. Das sind alles billige und ungiftige Rohstoffe. Dieser Batterietyp soll 2023 in die Massenproduktion gehen. Aufgrund der momentan noch geringeren Energiedichte und Zyklenzahl im Vergleich zu den Lithium-Ionen-Batterien ist diese Batterie für die Elektromobilität aber nur bedingt geeignet. Die nächste Generation der Natrium-Ionen-Batterien aber, an der bereits gearbeitet wird, könnte zumindest die LiFePhO4-Batterien ersetzen. Auch wird seit Jahren an der Lithium-Schwefel-Batterie gearbeitet, die geringe Kosten und eine kurze Ladezeit sowie öhere Energiedichten im Vergleich zu den heutigen Batterien erwarten lässt. Wegen großer Lebensdauerprobleme wird diese Technologie aber erst in weiter entfernter Zukunft eine Rolle spielen.
Fazit
Die Entwicklung der Verkaufszahlen zeigt, dass das Auto momentan der Haupttreiber für die Weiterentwicklung der Batterie ist. Im reinen Energiespeichermarkt wird die Natrium-Ionen-Batterie in den nächsten Jahren als billige Lösung vorherrschen. Man wird aber sicherlich längerfristig davon ausgehen können, dass eine erheblich kostengünstigere Batterie mit höherer Energiedichte als Stromspeicher für Fahrzeuge sowie als Stromspeicher für regenerative Energien den Markt erobern wird. Batteriebetriebene Autos könnten dann deutlich billiger sein als die heutigen Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor. Stromspeicher für die Haushalte sind dann betriebswirtschaftlich besser vertretbar.
Wie Batterien von E-Autos weitergenutzt werden können
Bei einer Fahrleistung von 200.000 Kilometern liegt die Kapazität der Tesla-Batterie unternehmenseigenen Statistiken zufolge immer noch bei über 90 Prozent. Damit ist zu erwarten, dass das Autoleben eines Elektrofahrzeugs wesentlich länger ist als das eines Verbrenners. Zudem können die Batterien nach dem Gebrauch im Auto etwa als Energiespeicher im privaten Haushalt oder als größere Stromspeicher für die regenerativen Energien weiterverwendet werden, da sie immer noch eine Kapazität von über 70 Prozent besitzen. So wurden bereits die ausgedienten Batterien des Smarts von Daimler großtechnisch als Stromspeicher eingesetzt. Auf diese Art können diese Batterien noch über einen Zeitraum von mindestens zehn Jahren weiterverwendet werden. Erst dann werden sie einem Recyclingprozess mit einer Effizienz von über 90 Prozent zugeführt.
