Antriebsbatterien: Reichweite, Rohstoffe und Recycling

Die boomende Elektromobilität geht auch einher mit einer rasant ansteigenden Produktion von Batterien. Die Herstellung der gängigen Lithium-Ionen-Akkus ist aber ressourcenintensiv. Neue Batterie- und Recyclingtechnologien versprechen Abhilfe.

Künstlerische Darstellung von Arbeitern in einer Mine.

Leistungsstarke Batterien sind der entscheidende Faktor beim Umstieg von Autos mit Verbrennungsmotor auf solche mit Elektroantrieb. Wer sich ein batteriebetriebenes Fahrzeug kauft, erwartet einen Akku mit möglichst hoher Reichweite, kombiniert mit einer langen Lebensdauer. Denn in der Produktion verursacht ein Elektroauto erst einmal mehr CO2 als ein vergleichbarer Verbrenner. Gemäss einer Berechnung des TCS gleichen die aktuell meistverkauften Modelle ihre höhere CO2-Bilanz nach rund 40 000 Kilometern aus. Die meisten Herstellerfirmen geben derzeit eine Garantie von acht Jahren oder 160 000 Kilometern. In der Praxis haben die Batterien aber eine deutlich längere Lebensdauer: rund 1000 Ladezyklen oder 400 000 Kilometer!

 

Wie hält die Batterie am längsten?

Wer seinen Akku mit niedrigen Stromstärken lädt, den Ladestand zwischen 20 und 80% hält und beim Fahren sanft beschleunigt, vermeidet Akkustress und bewahrt seine Kapazität. Zu Hause oder bei der Arbeit  genügt langsames Laden in den meisten Fällen, da ausreichend Zeit zur Verfügung steht.

 

Zweites Leben und Recycling

Was passiert also, wenn nach zehn Jahren eine ganze Generation von Batterien ausgemustert wird? Die Stiftung Auto Recycling Schweiz zeigt sich unbesorgt: «Wir sind bereit für grössere Mengen alter Batterien», sagt der Geschäftsführer Daniel Christen. «Wenn die Kapazität eines Akkus unter 70% fällt und er damit im Fahrzeug ausgedient hat, gibt es zunächst die Option eines zweiten Lebens als stationäre Speicherbatterie.» Etwa in Gebäuden mit Photovoltaikanlagen, aber auch in Ladestationen oder in Kraftwerken als Puffer für Spitzenlasten. Erstaunlicherweise «erholen» sich die Batterien dabei sogar wieder, weil sie weder starken Beanspruchungen noch Vibrationen oder Temperaturschwankungen mehr ausgesetzt sind. Doch auch dieser Einsatz ist irgendwann zu Ende, das Recycling der Batterie steht an.

 

Innovative Schweizer Pioniere

Was mit Lithium-Ionen-Akkus aus Smartphones und Laptops heute bereits funktioniert, ist bei Fahrzeugbatterien sogar noch einfacher. Sie sind für viele Fahrzeugmodell standardisiert und entsprechend ist es einfacher, sie zu rezyklieren. Als eines der ersten Schweizer Unternehmen gewinnt Kyburz Switzerland schon heute über 90% der Rohstoffe aus den hauseigenen Lithium-Eisenphosphat-Batterien zurück. Diese kommen vor allem in Mobility-Scootern oder den dreirädrigen Zustellfahrzeugen der Post zum Einsatz.

 

Nahaufnahme einer Autobatterie

Neue Generationen von Batterien sollen möglichst ohne Rohstoffe wie Lithium und Kobalt auskommen.

Das 2021 gegründete Start-up Librec will in einer neuen Recyclinganlage im Kanton Solothurn Batterien verschiedener Elektroautos verwerten und mindestens 90% der Rohstoffe zurückgewinnen. Ab 2024 könnte die Anlage jährlich rund 300 Tonnen Akkus aus 1000 E-Autos rezyklieren – bis 2031 soll sich das Volumen verzehnfachen. Ob sich das Recycling lohnt, ist abhängig von den Rohstoffpreisen und regulatorischen Anreizen wie vorgezogenen Entsorgungsgebühren. Gleichzeitig forschen Batterieproduzierende und Universitäten mit Hochdruck daran, den Anteil teurer und ökologisch bedenklicher Metalle zu reduzieren. Auch das Münchner Start-up Stabl arbeitet an einem nachhaltigen Second-Life-Konzept für Autobatterien. Mit Unterstützung vom Smart Energy Innovationsfonds von Energie 360° entwickeln sie einen modularen Multilevel-Wechselrichter: Werden mehrere Batterien in Reihe geschaltet, wirken sich leistungsschwächere Batterien negativ auf die Gesamtleistung aus. Fällt eine Zelle aus, setzt der gesamte Batteriepack aus. Ein Batteriespeicher ist folglich nur so leistungsfähig wie seine schwächste Komponente. Statt statisch verbindet Stabl die einzelnen Module deshalb dynamisch miteinander und kann so unterschiedliche Leistungskapazitäten aus- und angleichen.

 

Problematische Inhaltsstoffe

Derzeit ist die Herstellung der Batterien noch sehr energieintensiv und verursacht pro Kilowattstunde Kapazität zwischen 150 und 200 Kilogramm CO2-Äquivalent. Die notwendigen Rohstoffe wie Lithium, Kobalt, Nickel, Mangan, Kupfer, Aluminium und Grafit hinterlassen beim Abbau und Transport einen ökologischen und sozialen Fussabdruck. So stammen etwa 60% des weltweit abgebauten Kobalts aus dem Kongo, wo vertretbare Sozial- und Sicherheitsstandards fehlen. Die Förderung von Lithium aus salzhaltigen Solen in den Anden steht aufgrund des hohen Wasserverbrauchs in der Kritik.

 

Laut einem Bericht der Internationalen Energieagentur vom Mai 2021 enthält eine gängige Lithium-Ionen-Batterie mit 75 kWh: 5,7 kg Mangan, 6,15 kg Kobalt, 7,2 kg Lithium, 22 kg Kupfer, 49 kg Nickel und 65 kg Grafit. Die Förderung dieser Rohstoffe verbraucht rund 12 000 Liter Wasser, die Herstellung der Batterie verursacht eine Emission von 7,5 Tonnen CO2.

 

Ein Akku oder zehn Avocados

Jüngste Studien zeigen, dass zumindest die Auswirkungen des Lithiumabbaus auf die Umwelt weniger gravierend sind als bisher angenommen. Gemäss dem renommierten Chemiker und Batterieforscher Maximilian Fichtner verbraucht die Gewinnung von sechs Kilogramm Lithium für eine 60-kWh-Batterie «nur» rund 5000 Liter Wasser – in etwa so viel wie die Produktion von zehn Avocados, einer halben Jeans oder 250 Gramm Steak. Der Abbau von Kobalt und Kupfer sei wesentlich problematischer. Neue Generationen von Batterien sollen deshalb möglichst ohne sie auskommen. So hat Tesla den Kobaltanteil in seinen Akkus bereits massiv reduziert: Fast die Hälfte der neu produzierten Modelle enthalten kein Kobalt mehr. Und Jeffrey Brian Straubel, der ehemalige Tesla-CTO, hat mit Redwood Materials ein Unternehmen gegründet, das bis 2025 in der Lage sein soll, Batterien für eine Million Elektrofahrzeuge zu rezyklieren.

 

Wie funktioniert das Batterierecycling?

Die ausgedienten Batteriezellen werden zunächst völlig entladen, aus ihrer «Verpackung» gelöst und anschliessend in einem luftdichten Kreislauf zu Granulat geschreddert. Man spricht von einem inerten Verfahren, bei dem keine chemischen Reaktionen zwischen den austretenden Substanzen erfolgen. Als Nächstes destilliert die Anlage im Vakuumkessel die Elektrolytflüssigkeit aus dem Granulat heraus. Übrig bleibt eine Schlacke mit den wiederverwendbaren Inhaltsstoffen wie Kobalt, Nickel oder Mangan.

 

Durchbruch bei Natrium- und Feststoffbatterien

Der weltweit grösste Batteriehersteller Catl will indes in China ab 2023 mit der Massenproduktion von Natrium-Ionen-Batterien beginnen. Diese Akkutechnologie basiert auf Kochsalz und kommt ohne Lithium, Kobalt, Nickel und Kupfer aus. Die Natrium-Ionen-Batterien sollen sich deshalb lokal zu niedrigeren Preisen und in praktisch beliebigen Mengen herstellen lassen. Einziger Knackpunkt: Aufgrund der geringeren Energiedichte brauchen die Salzbatterien zurzeit noch mehr Volumen. Sie waren deshalb bis vor kurzem noch für den stationären Einsatz gedacht. Eine nächste Generation von dicht gepackten Modulen soll aber mit Lithium-Ionen-Akkus gleichziehen oder sie gar überholen.

 

E-Auto-Batterien stehen in einer Halle

Auch nach Ihrer Verwendung in Elektroautos haben Batterien noch lange nicht ausgedient. Viele finden als Speicherbatterie Verwendung.

Eine weitere, vielversprechende Entwicklung zeichnet sich bei den sogenannten Feststoffbatterien ab. Diese beruhen zwar noch immer auf der Lithium-Ionen-Technologie, den flüssigen Elektrolyt ersetzt man aber durch eine dünne Schicht eines Festkörperelektrolyten, der unbrennbar ist. Dadurch brauchen Feststoffbatterien keine Kühlung und können kompakter gebaut werden und lassen sich einfach austauschen, statt sie im Fahrzeug zu laden. Der Hersteller Nio hat in China bereits ein Netz von Wechselstationen aufgebaut und will mit den neuen Modellen bis 2024 auch den europäischen Markt erobern. Man darf gespannt sein.

 

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