Akkus: Grüne Alternativen für Lithium und Kobalt

Batterien sind wichtig für die Energiewende. Speichern sie Strom aus Wind und Sonne, um ein Elektroauto anzutreiben, ist das besser, als mit dem Verbrenner zum Einkaufen zu fahren. Beim Blick in das Innenleben der Batterie sieht das aber nicht mehr ganz so umweltfreundlich aus. Zink, Nickel, Aluminium, Lithium, Kobalt, Quecksilber, Cadmium – eine Batterie ist alles andere als „grün“.

Viele Materialien sind nicht nur giftig, wenn sie in die Umwelt gelangen. Große Mengen an Energie sind notwendig, um die Materialien aus der Erde zu holen, die dann unter dem Einsatz weiterer Energien zu Batteriezellen verarbeitet werden. Für eine Kilowattstunde Batteriekapazität werden laut einer Studie des Instituts für Energie- und Umweltforschung in Heidelberg 125 Kilogramm CO2 produziert.

„Bisher werden Batteriezellen vorwiegend in Ländern hergestellt, die sich nicht erneuerbaren Energien verschrieben haben“, macht Martin Winter die Situation deutlich. Daran kann der Professor an der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU) nichts ändern. An den Inhaltsstoffen allerdings schon.

Umweltschonen bei Herstellung und Entsorgung

Winter forscht seit über zwei Jahrzehnten an elektrochemischer Energiespeicherung und gilt als Koryphäe unter den Batterieforschern. In dem interdisziplinären Forschungsprojekt „Grüne Elektrochemische Energiespeicher (GrEEn)“ will er mit einem Forschungskonsortium herausfinden, wie Batterien nachhaltiger werden: Bei welchem Herstellungsprozess kann man Energie sparen, wie kann man teure, giftige oder seltene Materialien in ihrem Anteil reduzieren oder ersetzen und auch organische Prozesslösungsmittel vermeiden?

Dabei gehen die Wissenschaftler auch der Frage nach, wie Batterien so hergestellt werden können, dass sie sich nach dem Ende der Lebenszeit möglichst gut auseinander nehmen lassen, wodurch die verschiedenen Materialien und Komponenten leichter in diverse separate Recyclingprozesse überführt werden können. Das ist eindeutig besser, als alles zusammen in den Ofen zu schmeißen und dabei Wertstoffe mit Nichtwertstoffen zu vermengen.

„In den kommenden drei Jahren untersuchen wir nachhaltige Material-, Prozess- und Systemkonzepte für elektrochemische Speicher. Eine zukunftsweisende Aufgabe für Materialwissenschaftler“, so Winter, der auch wissenschaftlicher Leiter des MEET Batterieforschungszentrums der WWU und Gründungsdirektor des Helmholtz-Instituts Münster ist.

Der Batterieexperte ist überzeugt, dass die Zelle im Elektromobil mindestens die gleiche Bedeutung erlangen wird, wie sie der Verbrennungsmotor im heutigen Fahrzeug hat. Die Reduktion oder die komplette Substitution problematischer Materialien hat für ihn daher eine große Bedeutung. Erste vielversprechende Ansätze gibt es bereits. So können Pflanzen karbonisiert und daraus Kohlenstoffelektroden herstellt werden. Mit dem Aufbau von Batteriezellenfabriken in Deutschland gebe es jetzt eine Chance, es über die Materialebene hinaus richtig anzugehen und die Batterie grüner zu gestalten – „wenn man es denn will“, so Winter.

Strom speichern mit Apfelresten

Eine ganz ausgefallene Alternative könnten Apfelreste sein. Das haben Forscher des Ulmer Helmholtz-Instituts herausgefunden. Sie haben aus dem Obst ein kohlenstoffbasiertes Aktivmaterial gewonnen und es für die negative Elektrode verwendet. Für die positive Elektrode setzen sie einen Werkstoff aus verschiedenen Schichtoxiden ein, der völlig ohne das umweltschädliche Element Kobalt auskommt, das in Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt wird.

Eine Anwendung in der Praxis wäre eine Sensation. Nach Berechnung der Agora Verkehrswende steigt der Bedarf an Kobalt bis 2050 für die Elektromobilität auf etwas mehr als 800.000 Tonnen. Auch Lithium ist stark gefragt. Der Bedarf wird im Jahr 2030 auf knapp 160.000 Tonnen und im Jahr 2050 auf knapp 500.000 Tonnen geschätzt. Ein Recycling für den kostbaren Rohstoff gibt es in Europa noch nicht.

Mangan-Kathoden sind der vielversprechendste Ansatz

Eine Alternative ist auch der Austausch des teuren und geopolitisch problematischen Kobalts durch Mangan, das erheblich günstiger, leichter erhältlich und weniger toxisch ist. Bisher hat das sich daraus ergebende Material an der Kathode noch eine geringere Lebensdauer – es werde weltweit aber als vielversprechendster Ansatz für Lithium-Ionen-Zellen gesehen, so Winter. Um Ressourcen zu schonen, setzt sich der Batterieexperte dafür ein, möglichst viele Materialien zu recyceln, unabhängig vom Wert des Materials. Recycling, so Winter, bedeute auch eine größere Unabhängigkeit von EU-externen Rohstofflieferanten. „Bisher können nur Metalle wie Lithium, Nickel, Kobalt oder Mangan zurückgewonnen werden und auch das ist im Moment nicht bei allen Metallen gleich rentabel.“ Das Thema, so Winter, müsse global und ganzheitlich betrachtet werden.

Recycling ist auch für das Fraunhofer ICT ein großes Thema. Die Wissenschaftler haben ein Konzept entwickelt, mit dem sich aus recycelten Kohlenstofffasern Werkstoffe für Batterien und Brennstoffzellen gewinnen lassen. „Elektrische Antriebe sind mittlerweile auch in der Luftfahrtbranche ein ernsthaftes Thema. Hersteller können hier direkt werterhaltendes Recycling betreiben, indem sie Werkstoffe von einer Anwendung in die nächste überführen“, erklärt ICT- Wissenschaftlerin Elisa Seiler.

Die von den Wissenschaftlern recycelten Carbonfasern sind elektrisch leitfähig und eignen sich als Ersatz für natürliches Graphit, das in der Batterie als Kathode (Pluspol) eingesetzt wird. Ein für die deutsche Wirtschaft ressourcenkritischer Rohstoff, der teuer aus China importiert wird.