Hat Lithium bald ausgedient?

Die Entwicklung der modernen Batterie

Akkus auf Basis von Lithium-Ionen sind das Nonplusultra, wenn es um Energiespeicherung geht. Die Nachhaltigkeit der Batterien muss allerdings noch verbessert werden. Deshalb werden derzeit Alternativen entwickelt, bei denen in puncto Leistungsfähigkeit und Sicherheit keine Abstriche gemacht werden müssen.

Text:: Dr. Maximilian Fichtner

Wir befinden uns mitten in einem gewaltigen Transformationsprozess unserer Energiesysteme. Die schnelle und vollständige Umstellung auf erneuerbare Energien für Industrie, Haushalte und E-Autos erfordert geeignete Technologien, um die elektrische Energie zwischenzuspeichern. Hier spielt die elektrochemische Energiespeicherung eine bedeutende Rolle. Sie hat sich zu einer effizienten Schlüsseltechnologie entwickelt, die derzeit in allen Anwendungsbereichen – von Mikro- bis hin zu Großbatterien – zunehmend an Bedeutung gewinnt.

Bisher unschlagbar: die Lithium-Ionen-Batterie

Insbesondere wiederaufladbare Akkumulatoren auf der Basis von Lithium-Ionen bieten derzeit herausragende Möglichkeiten zur Speicherung von elektrischem Strom in portablen, stationären und automobilen Anwendungen. Ihre Leistungsfähigkeit ist bislang unerreicht. Um allerdings die Batterietechnologie generell kurz- bis mittelfristig auf eine nachhaltige Grundlage zu stellen, muss die Rohstoffbasis erweitert werden, ohne dass dabei Nachteile bei der Sicherheit, der Leistungsfähigkeit und den Kosten befürchtet werden müssen.

AUF DEN PUNKT

  • Ohne Kobalt sind Batterien sicherer – aber auch weniger leistungsfähig
  • Alternativen auf Eisenphosphat-Basis sind in China schon im Einsatz
  • Alternativen auf Natrium-Basis sind ein lithiumfreier ­Hoffnungsträger

Wie verlief die Entwicklung bisher?

Bei der Li-Ionen-Batterie gibt und gab es bereits vielversprechende Entwicklungen und es sind bereits große Schritte in Richtung Nachhaltigkeit und Sicherheit gemacht worden. Die kontinuierliche Arbeit an den verschiedenen Eigenschaften hat zur Entwicklung einer Reihe von unterschiedlichen Batterietypen geführt.

Die ersten Li-Ionen-Batterien wurden bereits im Jahre 1991 vom Elektronikkonzern Sony auf den Markt gebracht. Diese enthielten als Speichermaterialien Petrolkoks im Minuspol (Anode), der später durch Grafit ersetzt wurde. Im Pluspol (Kathode) wurde Kobaltoxid als Li-Speicher eingesetzt. Schnell wurde klar, dass reines Kobaltoxid zwar den Vorteil hoher Speicherkapazitäten und kleiner Baugrößen bietet – dass es in Großbatterien aber gravierende Nachteile mit sich bringt, insbesondere was seinen hohen Preis, die Verfügbarkeit, die Giftigkeit sowie das Sicherheitsverhalten angeht. In neuerer Zeit wurden zudem die Abbaubedingungen für Kobalt in der Republik Kongo kritisiert.

Was die Sicherheit angeht, kam es manchmal zu kritischen Situationen, wenn solche Batterien unsachgemäß überladen wurden und das sich dabei bildende, stark oxidierend wirkende Kobalt den organischen Elektrolyten unter Wärmeentwicklung zersetzte. Das daraus resultierende thermische „Durchgehen“ der Batterie hatte dann teilweise sogar Batteriebrände zur Folge.

Aus all diesen Gründen wurden schon früh Anstrengungen unternommen, um den Kobaltgehalt in Batterien zu reduzieren. Dies ist über die Jahre durch einen schrittweisen Ersatz von Kobalt durch Nickel und Mangan gelungen (siehe Abbildung 1). Die hohe Funktionalität und die Speicherfähigkeit des ursprünglichen Materials konnten dabei erhalten beziehungsweise sogar verbessert werden.

Die in Grün dargestellten Abkürzungen in der Abbildung stehen für kobaltfreie Materialien, die aktuell bereits in E-Fahrzeugen eingesetzt werden (NMX: Nickel-Mangan-Spinell, LMO: Li-Mangan-Spinell, LFP: Li-Eisenphosphat, LNMO: Li-Ni-Mn-Oxid).

Abbildung 1: Zeitliche Entwicklung von Kathodenmaterialien für Li-Ionen-Batterien

Während der Kobaltgehalt in den Batterien von Elektroautos stark und in den unteren Prozentbereich gesunken ist, enthalten Handy- und Notebook-Akkus weiterhin hohe Anteile von Kobalt. Die Abkürzungen bedeuten z. B. „NMC 811“ = „Ni-Mn-Co-Oxid mit den Anteilen 8:1:1“, d. h. ein Material mit 80 Prozent Nickel-, 10 Prozent Mangan- und 10 Prozent Kobaltgehalt. Grafische Darstellung: Liebchen+Liebchen GmbH

Der aktuelle Gewinner dieses Wettbewerbs ist das kobalt- und nickelfreie Li-Eisenphosphat (LiFePO4), auch als „LFP“ abgekürzt. Dieses besitzt eine ganze Reihe von Vorteilen. Als häufig vorkommendes eisenhaltiges Mineral beträgt sein Preis nur einen Bruchteil der NMC-Materialien – was sich direkt auf den Preis der Batterie auswirkt, da die Kathode den teuersten Teil ausmacht. Weiter spaltet es beim Erhitzen keinen Sauerstoff mehr ab wie das Kobaltoxid, weshalb kein thermisches Durchgehen der Batterie mehr möglich ist. Solche Batterien sind also deutlich sicherer.

Allerdings ist LFP bei sehr tiefen winterlichen Temperaturen nur vergleichsweise langsam aufladbar und es ist sehr leicht, besitzt also nur eine geringe Dichte. Dieser vermeintliche Vorteil wirkt sich in der Praxis bei Autobatterien aber eher negativ aus, denn durch das mit der geringeren Dichte einhergehende größere Volumen des LFP findet nur eine geringere Menge des Materials Platz in der Batterie. Im Vergleich zu den NMC-Materialien sind das nur etwa zwei Drittel. Dies war der Hauptgrund, weshalb LFP in der Vergangenheit insbesondere von den europäischen Autoherstellern nicht als Speichermaterial für Autobatterien in Betracht gezogen wurde – die Reichweite wäre deutlich geringer gewesen. Die Speicherkapazität aktueller LFP-Zellen liegt bei etwa 160 bis 180 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg), was schwächer ist als die der Zellen mit nickel- und kobalthaltigen Materialien. Diese liefern etwa 250 Wh/kg. Dafür braucht man dann aber – außer dem Lithium – keine teuren oder kritischen Rohstoffe mehr, was bereits ein enormer Fortschritt in Richtung nachhaltiger Batterietechnik darstellt.

Durch neue Batteriedesigns konnte aber auch der Nachteil geringerer Kapazitäten beseitigt werden: Chinesischen Ingenieuren ist es gelungen, Raum zu schaffen für insgesamt 30 bis 40 Prozent mehr Speichermaterial. Solche Batterien werden bereits heute zu großen Teilen von chinesischen Autobauern eingesetzt und auch Tesla liefert bereits seit 2022 mehr als die Hälfte seiner Flotte mit ähnlichen Systemen auf der Basis von Eisenphosphat aus. Die erhöhte Sicherheit dieser Systeme wurde vielfach überprüft und bestätigt. So führte die chinesische Firma BYD umfangreiche Sicherheitstests mit großen Batteriezellen dieses Typs (sog. „Blade-Battery“) durch und konnte zeigen, dass sich diese Großzellen auch dann nicht mehr erhitzen oder entzünden, wenn man einen Nagel einschlägt oder die Batterie verbiegt. Übrigens: Ein seit diesem Jahr erhältlicher Mittelklassewagen des chinesischen Herstellers Geely mit solch einer Batterie schafft bereits gut 1.000 Kilometer mit einer Akkuladung.

Was die Brandsicherheit insgesamt angeht, so zeigen aktuelle Daten von Versicherern und der Straßenverkehrswacht in den USA und Schweden, dass bereits die bisherigen Batteriefahrzeuge mit klassischer Li-Ionen-Technik bezogen auf die Fahrtstrecke etwa 25 bis 30 Mal seltener in Brand geraten als Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor. Es wird erwartet, dass sich dieser Abstand durch die neuen Batterievarianten weiter vergrößert.

Abbildung 2: Rohstoffe und Elemente in Li- und Na-Batterien

Rohstoffe in roter Schrift sind kritisch, teuer und/oder giftig. Stoffe in schwarzer Schrift sind nachhaltig, preiswert und/oder häufig. Grafische Darstellung: Liebchen+Liebchen GmbH

Auch Lithium kann ersetzt werden

Um die Grenzen der Leistungsfähigkeit der aktuellen Li-Ionen-Technologie zu überwinden und möglichen Engpässen bei der Verfügbarkeit der verwendeten Materialien zu begegnen, werden derzeit auch Alternativen erarbeitet, die nicht mehr auf Lithium basieren und die als sogenannte „post-Li“- oder „beyond Li“-Batterien bezeichnet werden. Diese Systeme verwenden anstelle von Lithium andere, häufiger und überall vorkommende Ladungsträger in der Batterie wie zum Beispiel Natrium-, Magnesium-, Zink-, Kalcium-, Aluminium- oder Chlorid-Ionen. Solche Systeme bieten das Potenzial, auch große Energiemengen kostengünstig und sicher zu speichern. Sie sind damit eine vielversprechende und langfristige Option für Massenanwendungen, insbesondere bei der stationären und mobilen Energiespeicherung. Die neuen Systeme bringen zudem mit sich, dass geostrategische Abhängigkeiten von Rohstoffen weitgehend aufgelöst werden, da die verwendeten Rohstoffe in großen Mengen überall auf der Erde zu finden sind.

Der Ersatz von Lithium bedeutet aber auch: Alle Bestandteile der Batterie müssen neu kon­struiert werden. In diesem Zusammenhang wird in neuerer Zeit insbesondere die Natrium-Ionen-Batterie (SIB, sodium ion battery) als mögliche Alternative zur Lithium-Ionen-Batterie entwickelt. Erste Baureihen von SIBs werden seit Kurzem bereits kommerziell in China und Europa angeboten. Ihre Speicherdichte ist noch einmal geringer als die der LFP-Batterie und liegt zwischen 100 und 150 Wh/kg. Allerdings ist zu erwarten, dass dieser Wert weiter gesteigert werden kann, denn weltweit gibt es massive Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen, die genau darauf abzielen.

Sollte die Speicherkapazität der neuen Systeme der der Li-basierten LFP-Zellen nahekommen, könnte es in einigen Anwendungsbereichen zu einem Technologiewechsel kommen, denn die SIB besitzt gegenüber der LFP-Batterie auch eine Reihe technischer Vorteile.

Zum einen ist da die Materialauswahl. Wie Abbildung 2 zeigt, beruht die Zusammensetzung der Na-Ionen-Batterie auf einem Satz von Rohstoffen, die allesamt unkritisch sind, die überall häufig vorkommen, leicht zu gewinnen sind und daher auch deutlich preisgünstiger sind als die in einer Li-Ionen-Batterie.

Zum anderen kann die Batterie auch bei tiefen Temperaturen schnell aufgeladen werden und sie ist effizienter: Während eine herkömmlich Li-Ionen-Batterie bei minus 20 Grad Celsius noch 70 Prozent ihrer Kapazität bringt, schafft die Na-Ionen-Batterie 90 Prozent – was besser ist als ein Verbrennungsmotor. Für einen Einsatz in E-Autos sollte aber die Zyklenlebensdauer weiter verbessert werden. Während die Batterien heutiger Elektrofahrzeuge so ausgelegt sind, dass sie 2.000 Vollzyklen schaffen, bis ihre Kapazität auf 80 Prozent gesunken ist (bei einer Batterie für 500 km Reichweite wären das 1 Million km), liegt die Na-Ionen-Batterie je nach den verwendeten Materialien teilweise bei der Hälfte.

Während erste Na-Ionen-Batterien also bereits kommerziell erhältlich sind, erste Gigafabriken in der Planung sind und in China sogar schon erste vollelektrische Kleinwagen der Firma HiNa damit fahren, befinden sich die anderen, oben genannten Alternativen wie die Mg-, Ca- oder ­Al-Batterie noch im Forschungsstadium. Hier müssen insbesondere die Lebensdauer und die Energieeffizienz verbessert werden.

Was ist beim Recycling geplant?

Das Recycling von Batterien ist ein essenzieller Bestandteil einer zu­kunftsweisenden Kreislaufwirtschaft, die unerlässlich ist, um die benö­tig­ten Rohstoffe ressourcen-, energie- und geldsparend wieder einsetzen zu können und den Abbau von Rohstoffen auf ein Mindestmaß zu beschränken. Die EU hat hierzu kürzlich eine Richtlinie verabschiedet, die ein umfängliches Recycling aller Rohstoffe der Batterie zwingend erforderlich macht – ähnlich wie das bereits bei der Bleibatterie der Fall ist.

Es wird erwartet, dass ab Mitte der 2030er-Jahre bereits die Hälfte der verwendeten Rohstoffe aus dem Recycling stammen werden und dass die derzeit 38 Batterierecycler in Europa Zuwachs bekommen und ausgelastet sein werden.

Bisher erfolgt das Batterierecycling vor allem über das pyrometallurgische Verfahren. Das heißt, die Batterien werden im entladenen Zustand geschreddert und dann in einem Ofen aufgeschmolzen. In der daraus entstehenden Metallschmelze befinden sich die schweren Metalle wie Eisen, Nickel, Kobalt und Kupfer, während die leichten Metalle Aluminium und Lithium in der Schlacke anzutreffen sind. Dieses Verfahren ist energieaufwendig, benötigt zudem eine aufwendige nachgeschaltete Aufbereitung und es werden deshalb Wege entwickelt, um das Recycling insgesamt effizienter zu gestalten.

In einem alternativen Verfahren werden die Großbatterien und die darin enthaltenen Zellen automatisiert geöffnet und die mit dem Speichermaterial beschichteten Aluminium- beziehungsweise Kupferfolien herausgeholt. Das Speichermaterial (sog. „black mass“) wird abgestreift und in einem darauf spezialisierten Chemiebetrieb gewaschen und aufbereitet, sodass es erneut als Elektrodenmaterial eingesetzt werden kann. Dieser Prozess gilt als weit weniger aufwendig und ist auch sicherer als das pyrometallurgische Verfahren.

DER AUTOR
Der Chemiker Dr. Maximilian Fichtner ist geschäftsführender Direktor des Helmholtz-Instituts Ulm für Elektrochemische Energiespeicherung (HIU). Außerdem leitet er die Abteilung „Energiespeichersysteme“ am Institut für Nanotechnologie des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT). Fichtner ist Sprecher des Exzellenzclusters POLiS (Post Lithium Storage). Der Forschungsverbund beschäftigt sich mit der Entwicklung von Batterien, die vollkommen ohne Lithium auskommen.