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Die neue Generation Autobatterie

23.11.2020

Weltweit boomt die Elektromobilität. Die Internationale Energieagentur IEA sieht in zehn Jahren bereits 125 Millionen Fahrzeuge elektrisch angetrieben. Die Automobilindustrie setzt heute voll auf Lithium-Ionen-Technik. Wissenschaft und Unternehmen haben jedoch längst Alternativen im Blick.

In jedem Smartphone steckt circa ein bis drei Gramm davon. In einem Notebook sind es bis zu 40 Gramm. Und eine Fahrzeugbatterie braucht sechs bis 40 Kilogramm. Die Rede ist von Lithium. Was früher einmal Gold und Erdöl waren, ist heute das Alkalimetall. Es ist zum unentbehrlichen Bestandteil mobiler elektronischer Geräte wie Smartphones und Notebooks geworden.
 Ohne es, aber auch Kobalt, Coltan und Metalle der Seltenen Erden fällt die Revolution auf der Straße und der Digitalisierung aus. Händler und Investoren bezeichnen Lithium als „weißes Gold“.  Deshalb ist ein geopolitischer Wettlauf im Gange. Vor allem China als Leitmarkt für Elektromobilität versucht sich große Anteile an den Vorkommen zu sichern und kauft Reserven insbesondere im rohstoffreichen Afrika auf. Das Land verfügt über meisten Kapazitäten zur Raffinierung von Rohstoffen für Akkus. Batteriezellen machen schließlich rund 40 Prozent der Wertschöpfung in der Herstellung eines Elektrofahrzeugs aus. Europa hinkt bei der Zellenfertigung der internationalen Konkurrenz hinterher. Die größten Batteriehersteller kommen fast alle aus Asien: AESC Automotive Energy Supply Corp. und Panasonic aus Japan, die chinesischen Unternehmen BYD, CATL und Farasis sowie LG Chem und Samsung SDI aus Südkorea. Und so hält die europäische Automobilindustrie mehrere strategische Lieferantenbeziehungen, um seine Batterieversorgung in allen Weltregionen abzusichern.

Europa holt auf

Doch um die Abhängigkeit zu reduzieren und auch in Zukunft stabile Lieferverhältnisse sicherzustellen, gibt es inzwischen mehrere Allianzen und Konsortien in Europa. So verzeichnet das größte Wachstum Deutschland mit verschiedenen Fabrikprojekten. VW errichtet beispielsweise derzeit gemeinsam mit dem schwedischen Batteriehersteller Northvolt eine Batteriezellenfabrik in Salzgitter. Und die EU fördert mit über drei Milliarden Euro zahlreiche Projekte. Ein Joint Venture von Opel, der französischen Muttergesellschaft Groupe PSA und Total-Tochter Saft will bis 2030 Zellen für eine Millionen E-Fahrzeuge herstellen. Tesla Motors plant im brandenburgischen Grünheide neben der Autoproduktion die Herstellung von Batterien mit einer neuen Gigafactory südlich von Berlin. Eine Metastudie vom Fraunhofer ISI im Auftrag des VDMA rechnet bis zum Jahr 2030 mit einer Produktionskapazität von 500 bis 600 GWh. Aktuell bestehen in Europa Fertigungskapazitäten von rund 30 GWh. Die Europäische Kommission schätzt das Marktpotenzial für in Europa produzierte automobile Batterien auf bis zu 250 Milliarden Euro.

Das Objekt der Begierde: Lithium - Copyright: Volkswagen AG
Das Objekt der Begierde: Lithium - Copyright: Volkswagen AG

Der Lithium-Markt

Neben Mangan, Kobalt und Nickel stecken in aktuellen Lithium-Ionen-Akkus für Fahrzeuge je nach Kilowattstunden-Klasse bis zu 40 Kilo Lithium. Der globale Lithium-Abbau lag 2018 nach Analyse des United States Geological Survey (USGS) bei etwa 95.000 Tonnen – noch nie wurde von dem Rohstoff so viel in einem Jahr gewonnen. Stiegen die Preise für das Alkalimetall seit Jahren unaufhaltsam, ist der Preis für Lithiumkarbonat und -hydroxid jedoch 2019 auf den Spot- und Terminmärkten um bis zu 50 Prozent eingebrochen. Eine Tonne von Lithium mit einem Reinheitsgehalt von 99,9 Prozent kostete Anfang des vergangenen Jahres 120.000 US-Dollar, im Dezember lag der Preis bei nur noch 82.000 US-Dollar. Mit dem Einbruch sanken zugleich die weltweiten Kapazitäten auf 77.000 Tonnen. Auch 2020 ging der negative Preistrend laut den Experten von Benchmark Minerals Intelligence unvermindert weiter. Australien bleibt mit 42.000 abgebauten Tonnen die unangefochtene Nummer 1 unter den Exporteuren. Hier stammt der Rohstoff aus dem Erzbergbau. In Nord- und Südamerika mit Chile als führende Exportnation kommt Lithium aus Salzseen. Lithiumhaltiges Grundwasser wird aus bis zu 400 Meter Tiefe an die Oberfläche in Verdunstungsbecken gepumpt. Die verbleibende Salzlösung wird über mehrere Stufen weiterverarbeitet, bis es zum Einsatz für Batterien geeignet ist.

Noch sind die Salzwüsten Boliviens weitestgehend nicht erschlossen – Copyright: Unsplash
Noch sind die Salzwüsten Boliviens weitestgehend nicht erschlossen – Copyright: Unsplash

Lithium aus Deutschland?

Immer wieder kommt es zu kritischen Berichten über die Förderung. In der Fachwelt gibt es dazu unterschiedliche Meinungen. Zwischen der verwendeten Batterie und Minen liegen bis zu acht Verarbeitungsstufen und Zwischenlieferanten, was die Lieferkette intransparent macht. Ziel der deutschen Automobilindustrie ist es jedenfalls, eine nachhaltige Versorgung mit allen Rohstoffen sicherzustellen. Das gilt insbesondere beim Rohstoff Kobalt. Der überwiegende Teil wird im industriellen Tagebau gewonnen. Allerdings gibt es auch illegale Minen, wo Menschen auf eigene Faust danach suchen. Das geschieht unter Umwelt-, Sozial- und Sicherheitsbedingungen, die für die deutsche Automobilindustrie nicht akzeptabel sind. Deshalb engagieren sich hiesige Hersteller und Zulieferer in der Nachhaltigkeitsinitiative Drive Sustainability, Responsible Minerals Initiative oder der Global Battery Alliance des Weltwirtschaftsforums. Damit werden vorgelagerte Lieferkette bei diesen Rohstoffen bis zum Abbau verfolgt, alle Lieferanten identifiziert und Nachhaltigkeitsrisiken aufgedeckt. Zudem ergreifen die Unternehmen Maßnahmen, um Risiken zu minimieren und nutzen ihre Verhandlungsstärke und politische Vernetzung, um bessere Umwelt- und Sozialstandards über die gesamte Lieferkette hinweg durchzusetzen.

Insgesamt werden die Lithium-Reserven auf 80 Millionen Tonnen geschätzt. Diese Zahl nimmt stetig zu, da die wissenschaftlichen und industriellen Explorationen nach Abbaustätten stark zunehmen. Die weltweit größten Vorkommen werden im sogenannten „Lithium-Dreieck“ zwischen Bolivien, Argentinien und Chile in den Anden vermutet. In Boliviens westlichem Hochland sollen unter der 10.000 Quadratkilometer umfassenden Salzwüste "Salar de Uyuni" rund 20 Millionen Tonnen Lithium schlummern. Bis auf Portugal gibt es in Europa keine nennenswerten Lagerstätten – bislang. Das Karlsruher Institut für Technologie hat ein neues Verfahren entwickelt, um Lithiumionen aus lokalem Thermalwasser zu filtern. Der Vorteil des sogenannten Grimmer-Saravia-Verfahrens: Genutzt wird die bestehende Infrastruktur von Geothermie-Anlagen, durch die pro Jahr bis zu zwei Milliarden Liter Thermalwasser strömen. Gemeinsam mit Industriepartnern wollen die Wissenschaftler nun eine Testanlage errichten.

Die Komponenten einer Autobatterie von Mercedes-Benz - Copyright: Daimler AG
Die Komponenten einer Autobatterie von Mercedes-Benz - Copyright: Daimler AG

Alternative Autobatterien

Die Basis für die Lithium-Ionen-Batterie legten die Forscher John Goodenough, Stanley Whittingham und Akira Yoshino – wofür ihnen 2019 der Nobelpreis für Chemie zugesprochen wurde. "Ich denke, wir können Batterien bauen mit der doppelten Energiedichte im Vergleich zu heute. Aber darüber werden wir nicht hinausgehen können. Es ist nicht wie das Moore'sche Gesetz für Halbleiter. Es gibt eine Grenze für die Leistungsfähigkeit", so Whittingham in einem Interview. Neben technischen Grenzen und Ressourcenabhängigkeit arbeiten Forschungsinstitute und Unternehmen an Alternativen. Nicht ganz ohne Lithium kommt die Lithium-Schwefel-Batterien aus: Bei gleicher Kapazität ist dieser Batterietyp vermutlich kostengünstiger als Lithium-Ionen-Systeme, allerdings auch deutlich größer, da er eine geringere Energiedichte besitzt. Andererseits wird bei der Herstellung dieses Batterietyps weniger Lithium benötigt. Relativ weit fortgeschritten ist die Forschung bei der Feststoffbatterie. Im Gegensatz zu konventionellen Lithium-Ionen-Akkus ersetzt ein festes Material das flüssige Elektrolyt. Dadurch steigt die Energiedichte – sprich: mehr Reichweite bei gleichem Volumen. Außerdem muss die Batterie nicht mehr gekühlt werden, was Geld und Gewicht spart.

Das hat auch die Industrie hellhörig gemacht: Volkswagen investiert bereits seit 2012 in das kalifornische Unternehmen QuantumScape. Ziel ist die Großserienfertigung der Feststoffzelle. Mercedes-Benz stattet zum Beispiel schon sein Elektrobusmodell eCitaro wahlweise mit einer Feststoffbatterie aus. Forscher vom KIT und dem Helmholtz-Institut Ulm setzen bei der Feststoffvariante auf Magnesium: Als Element kommt es auf der Erde etwa 3.000-mal häufiger vor als Lithium. Weltweit würden die Reserven nach Angaben eines KIT-Forschers für 450.000 Jahre reichen. Die Lithiumvorräte hingegen könnten schon in einigen Jahrzehnten erschöpft sein. Entsprechend wären Magnesiumbatterien wesentlich günstiger als Lithium-Ionen-Batterien. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Festkörper­for­schung in Stuttgart und der Ludwig-Maximilians-Universität München nutzen stattdessen Natrium. Zudem wollen Max-Planck-Forscher Batteriekomponenten wie Elektroden, Elektrolyte oder Separatoren aus nachwachsenden Rohstoffen wie Vanillin, Chitosan und ionischen Flüssigkeiten gewinnen. Und IBM hat eine neue Zellchemie entwickelt, die komplett ohne Kobalt auskommt und deren Mineralien aus Meerwasser gewonnen werden können. Welche neue Superbatterie macht zukünftig das Rennen? Es bleibt weiter spannend in der Batterieforschung.

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