Energiespeicher Die Batterie von morgen: Warum es nicht immer Lithium sein muss

Autor / Redakteur: Gary Huck / Gary Huck

Elektroautos, Handys, PV-Anlagen und vieles mehr – überall sind Lithium-Ionen-Akkus drin. Und es sollen mit der fortschreitenden Elektrifizierung noch mehr werden. Noch soll es 80 Mio. Tonnen Lithium weltweit geben, doch die Bestände schwinden. Am besten fängt man jetzt schon an, nach Alternativen zu suchen.

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Lithium und Cobalt, die alten Champions, werden herausgefordert von Natrium und Mangan.
Lithium und Cobalt, die alten Champions, werden herausgefordert von Natrium und Mangan.
(Bild: ©MicroOne - stock.adobe.com/Dominik Kron - VCG)

Die beiden Frauen stapfen durch eine unwirklich anmutende Mondlandschaft. „Die Menschen sehen nicht die Konsequenzen, sie sehen nur Energie“, merkt die ältere der beiden an. Der Name der Frau, die in einer Reportage der britischen Zeitschrift The Gurdian erwähnt wird ist Sonya Ramos. Die Chilenin setzt sich als Aktivistin für die Atacama Wüste in Chile ein. Dort in der Erde liegen etwa 40 Prozent des weltweiten Lithiumvorkommens. Und da es ohne Lithium keine Lithium-Ionen-Batterien geben kann, ist die Atacama-Wüste in den Fokus vieler Industrien gerückt. Die Förderung von Lithium verändert auch das Ökosystem des Landstrichs und laut Ramos nicht zum Guten.

Während ich diesen Absatz schreibe, ist in einem anderen Fenster meines Browsers eine Internetseite geöffnet, die live anzeigt, wie viel Lithium seit Jahresbeginn schon verbraucht wurde. Es ist der 10. September 2021. Der Zähler steht bei 17.300 Tonnen. Der Lithium-Ertrag pro Jahr wird auf etwa 25.000 Tonnen geschätzt. Bedenkt man den Hype um Elektrofahrzeuge, werden die 25.000 Tonnen pro Jahr wahrscheinlich schnell erschöpft sein. Es braucht nachhaltigere Alternativlösungen. Bei Batterien gibt es unterschiedliche Ansätze, Alternativen zur „klassischen“ Li-Io-Zelle zu finden.

Man sollte Nachhaltigkeit immer realistisch betrachten. Eine Idealvorstellung mag auf dem Papier funktionieren. Aber in der Realität braucht es meist Kompromisse. Bei Batterien ist das nicht anders.„Der Hochlauf von Batterien ist notwendig, um eine nachhaltige Energiewirtschaft zu etablieren. Selbst wenn die dafür verwendeten Material zunächst nicht vollständig nachhaltig und verwertbar sind. Im nächsten Schritt sollte dann das Ziel sein, die Materialien auch zirkulär zu nutzen.“, sagt Patrick Fellinger von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM). Die BAM konzentriert sich an ihrem Standort in Berlin auf die Erforschung alternativer Energiespeicher.

Lithium, Kobalt und Nickel reduzieren

Im Bereich der Materialien liegt trotzdem viel Potenzial. Das von der EU finanzierte Hydra-Projekt forscht in diese Richtung. Ein Ziel des Projekts ist es, seltene Metalle wie Kobalt und Lithium möglichst zu ersetzen. Oder zumindest deren Menge für die einzelne Batterie stark zu reduzieren. Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid (NMC) ist ein mögliches Material. Der Anteil von Cobalt, der bei dieser Verbindung zum Einsatz kommt ist um einiges niedriger als bei herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien. Allerdings ist das Material was die Sicherheit angeht nicht ganz unbedenklich.

Quasi eine Weiterentwicklung von NMC ist Lithium-Nickel-Mangan-Oxid (LNMO). Denn in LNMO kommt kein Kobalt vor. Der Lithium-Anteil ist relativ gering. Und auch der Nickel-Anteil ist niedriger als bei NMC. Nun ist Nickel nicht so selten wie Kobalt oder Lithium. Aber das könnte es werden. „Aus Nickel könnte das nächste Kobalt werden, was die Seltenheit angeht. Das wir sollten versuchen, das zu verhindern, bevor es eintritt“, meint Simon Clark, Forscher bei der Forschungsorganisation Sintef. Diese ist ebenfalls am Hydra-Projekt beteiligt. In LNMO ist mehr Mangan enthalten. Mangan ist mit einem Anteil von 0,095 Prozent an der Erdkruste das am dritthäufigsten vorkommende Übergangsmetall.

Batterien mit diesen Materialzusammensetzungen sind zwar nicht im eigentlichen Sinne nachhaltig. Aber sie schonen die Reserven seltener Ressourcen und basieren auf häufiger vorkommenden Elementen. Die perfekte Lösung ist das auch nicht. Aber es geht in die richtige Richtung.

Der aktuell vielleicht vielversprechendste Ansatz sind Batterien auf Natriumbasis. Dabei wird das seltene Lithium durch Natrium ersetzt. Die Natriumverfügbarkeit auf der Erde ist gut. Es ist das sechsthäufigste Element des Planeten. Warum werden Natrium-Batterien dann nicht schon in der Breite eingesetzt?

Es gibt bereits solche Batterien. Allerdings noch fast ausschließlich für stationäre Anwendungen. Dabei geht es vorwiegend um die Speicherung von Energie und deren konstante Wiedergabe. Sie weisen eine Be- und Entladeeffizienz von über 90 Prozent auf. Zum Vergleich: Bleisäure-Batterien kommen auf etwa 70 Prozent. Vom Leistungsniveau liegen sie momentan im Bereich von Eisen-Phosphat-Batterien. Allerdings zeigt zum Beispiel der E-Mobilitäts-Pionier Tesla Interesse an der Eisen-Phosphat Batterie. Betriebe, die überflüssigen Strom aus eigener Erzeugung speichern wollen, hätten mit der Natrium-Batterie eine relativ nachhaltige Alternative.

Stationäre Batterien sind meistens groß. Gewicht und Größe spielen jedoch eine untergeordnete Rolle. Ob der Speicher nun so groß wie eine Gartenhütte oder wie ein 40-Fuß-Frachtcontainer ist, macht häufig keinen Unterschied. Bei den reagierenden Materialien macht das schon einen Unterschied. Je größer die Batterie, desto mehr reagierendes Material. Wenn ein Feuer ausbricht, dann brennt es lange. Laut Fellinger gibt es hierzu noch keine Ideallösung. Die Technik ist neu, man muss Erfahrungen erst in der Praxis sammeln.

Grafit ersetzen oder ergänzen

Nun hört die Nachhaltigkeit nicht beim Elektrolyt auf. Auch die Elektroden der Batterie können „verbessert“ werden. In der Forschung und Entwicklung im Batteriebereich arbeitet man beispielsweise daran, das Grafit als Kathodenmaterial zu ersetzen. Ein interessanter Ansatz dabei ist, Grafit durch recycelten Kohlenstoff zu ersetzen. Wenn man diesen Kohlenstoff aus CO2 gewinnt, schlägt man gleich zwei Fliegen mit einer Klappe.

Ganz so einfach wie es klingt, ist es aber nicht. „Das Grafit, das als Kathodenmaterial eingesetzt wird, muss bestimmte chemische Eigenschaften haben. Es ist nicht ganz einfach industriellen Kohlenstoff in Batteriematerialien zu verarbeiten. In diese Richtung wird geforscht weiterhin geforscht“, sagt Clark. Der Forscher sieht mehr Potenzial in einer anderen Richtung. „Eine vielversprechende Lösung ist es, das benötigte Grafit zu reduzieren, indem man es mit Silizium mischt. Silizium kann theoretisch 20 mal mehr Ladung speichern als Grafit.“

Die Herstellung der Natriumbatterien sollte hingegen kein Problem sein „Wir stellen die Natrium-Batterien auf den gleichen Produktionslinien her, wie die Lithium-Ionen-Batterien“, erzählt Hermann Schweizer von Faradion. Faradion verkauft bereits Natrium-Batterien für stationäre Anwendungen.

Wenn wir schon bei stationären Anwendungen sind, sollten auch Metall-Luft-Batterien, wie Zink-Luft erwähnt werden. Diese Anwendungen sind nicht neu, dafür aber relativ sicher. Wenn in ihnen ein Kurzschluss auftritt, stoppt die Reaktion. Da ihr Elektrolyt wasserbasiert ist, kommt es nicht zu Bränden. Allerdings sind sie nicht sonderlich performant. Zum Speichern von überflüssigem Strom kann man sie einsetzen. Für energieintensive Anwendungen allerdings nicht wirklich. Außerdem sind, im Vergleich zu Natrium, Metalle wie Zink um einiges seltener.

Ganz wird man um die klassische Li-Io-Batterie nicht herumkommen

Nun haben wir über die Zusammensetzung der Batterien gesprochen. Dabei gibt es auch viele Alternativen und die Branche ist sehr aktiv. Vermutlich wird sich auch nicht eine Batteriechemie als die „Eine“ durchsetzen. Unterschiedliche Anwendungen profitieren von verschiedenen Ansätzen. Ganz wird man um die klassische Lio-Io-Batterie auch nicht herumkommen. Beispielsweise für Performance-Anwendungen im Automobilbereich bleibt sie möglicherweise alternativlos. Wichtig ist, wo es möglich ist, Alternativlösungen einzusetzen. Hier lautet die Devise je nachhaltiger und sicherer desto besser. Dabei müssen Anwender Vor- Und Nachteile abwägen. Im Endeffekt läuft es, wie fast immer, auf eine ausgeglichene Kosten-Nutzen-Rechnung hinaus. Die muss individuell immer wieder gemacht werden.

Das gilt nicht nur für den Energiespeicher selbst, sondern auch für dessen Herstellung. Selbst eine voll kompostierbare Batterie ist weniger nachhaltig, wenn die Produktionsanlage mit Kohlestrom läuft. Hier sind erneuerbar Energien die einzige Alternative.

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