So funktionieren sie, so werden sie besser

Wie funktioniert eine Lithiumionen-Batterie?

Prinzipiell funktioniert auch der moderne Lithiumionen-Akku nicht anders als die erste Batterie der Welt, die Alessandro Volta anno 1800 in seinem Labor hergestellt hat. Sie besteht aus einer positiven und einer negativen Elektrode, also Körpern aus Material, das elektrischen Strom leitet. Zwischen diesen beiden Materialien liegt eine besondere Flüssigkeit, der Elektrolyt, durch die Ionen – also Atome, denen ein Elektron fehlt und die deshalb elektrisch positiv geladen sind* – von der einen zur anderen Elektrode wechseln können. Dadurch entsteht eine elektrische Spannung, die Smartphone, Tablet oder E-Auto antreibt.

Beim seit den 1990er Jahren kommerziell erhältlichen Lithiumionen-Akku bestehen sowohl die Elektroden als auch der Elektrolyt aus verschiedenen Lithiumverbindungen. Sie machen diesen Batterietyp wiederaufladbar, leichter und langlebiger.

Allerdings, das weiss jeder, der ein Handy oder einen Laptop hat, hält auch ein Lithiumionen-Akku nicht ewig. Denn schon beim ersten Laden bildet sich auf der Elektrode eine Schicht aus Unreinheiten, und die Batterie verliert bis zu einen Fünftel ihrer Kapazität. Mit jedem Gebrauch wächst diese Schicht weiter, erhöht so den Widerstand und verringert die Leistung. Wenn in den Elektroden reines Lithium verwendet wird – das war bei den allerersten Lithiumionen-Akkus der Fall und wird auch bei neuen Weiterentwicklungen teilweise erwogen, um die Leistung zu erhöhen –, können die Unreinheiten als sogenannte Dendriten (Bäumchen) von der einen Elektrode zur anderen wachsen, und es kommt zum Kurzschluss.

Auch wenn man den Akku komplett leert und es zu einer sogenannten Tiefentladung kommt, geht er kaputt.

* Es gibt auch elektrisch negativ geladene Ionen, aber die spielen bei Akkus und Batterien keine Rolle.

Wie viel Lithium steckt in meinem Akku?

Je nach Anwendung variiert die Grösse von Akkus und Batteriepaketen erheblich. Für die Batterie eines Smartphones werden nur rund 3 Gramm Lithiumcarbonat benötigt, für die eines Notebooks 30 Gramm. Demgegenüber schlägt das Batteriepaket eines durchschnittlichen Elektroautos mit 20 kg zu Buche. In einem Tesla Model S steckt sogar das Äquivalent von 50 kg Lithiumcarbonat, das für die grosse Reichweite von bis zu 600 km sorgt. Für einen Hybridantrieb braucht es etwa 1,5 kg des Rohstoffs.

Das Lithium, das in der Batterie den eigentlichen Stromtransport versorgt, macht allerdings nur einen kleinen Teil des Gesamtgewichts des Akkus aus. Hinzu kommen die Materialien, die den Ablauf der chemischen Reaktionen im Innern der Zelle erst ermöglichen, das Gehäuse sowie Anschlüsse. Deshalb bringt das Batteriepaket des Model S am Ende 600 kg auf die Waage.

Das Gewicht der Antriebsbatterien variiert stark

Enthaltene Menge Lithiumcarbonat

Wie ist ein Lithiumionen-Batteriepaket im Elektroauto aufgebaut?

Für grössere Hochvolt-Batteriesysteme, wie sie in Elektroautos verwendet werden, werden in der Regel Lithiumionen-Zellen genutzt, wie sie auch in Mobiltelefonen oder Notebooks eingebaut sind. Eine einzelne Batteriezelle ist die kleinste Einheit im Batteriesystem. Beim VW-Konzern werden jeweils 24 Zellen in einem Batteriemodul gekoppelt. Die Anzahl der Module wiederum ist variabel und sorgt je nach Menge für mehr oder weniger Reichweite. Bis zu 408 Volt Spannung liegen dabei im VW-System an – deutlich mehr als an der heimischen Steckdose, die nur 230 Volt liefert. Andere Hersteller arbeiten mit bis zu 800 Volt Spannung.

Eine Leistungselektronik steuert den Energiefluss zwischen Batterie und Elektromotor und wandelt den in der Batterie gespeicherten Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) für den Motor sowie das 12-Volt-Gleichstrom-Bordnetz um. Batteriesysteme in Elektroautos sind in der Regel flach im Unterboden verbaut und entsprechend gegen Kollisionen geschützt, und sie sind aufgrund ihres Gewichts mitverantwortlich für den tiefen Schwerpunkt von batterieelektrischen Fahrzeugen.

Aufbau einer Antriebsbatterie im VW ID.3

Welche Zelltypen werden verwendet?

Bei grossen Antriebsbatterien werden heute in der Regel entweder zylindrische Zellen mit meist massiver metallischer Aussenhülle wie beim Tesla Model S verbaut oder aber sogenannte Pouch-Zellen wie beim Nissan Leaf, die flach und flexibel sind und die Abwärme gut ableiten können. Zylindrische Zellen verkraften mechanische Verformungen besser als Pouch-Zellen, die auch bei regulärem Betrieb zu einem leichten Aufblähen neigen.

Welche Rohstoffe enthält der Akku und welche Probleme bringt das mit sich?

Welches Material für die Elektroden eingesetzt wird, unterscheidet sich je nach Anwendung. Bei mobilen Geräten ist meist eine Elektrode aus Lithium-Kobalt-Oxid verbaut: Diese Verbindung nimmt wegen ihrer hohen spezifischen Dichte wenig Platz ein. Die meisten E-Autos haben einen Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid-Akku – abgekürzt Li-NMC oder LNMC – an Bord. Die zweite Elektrode besteht bei den allermeisten Systemen aus lithiumhaltigem Grafit, also einer Kohlenstoffverbindung. Durch den Zusatz von Grafit ist die Batterie weniger leicht entzündlich, braucht aber mehr Platz.

In stationären Batterien für die Energiespeicherung sind Grösse und Gewicht weniger entscheidend. Weil LNMC vergleichsweise teuer sind, kommen in diesem Bereich teilweise auch Lithium-Eisenphosphat-Akkus zum Einsatz. Der Strom aus Photovoltaikanlagen auf dem Hausdach lässt sich auch in Salzwasser-Batterien speichern – sie brauchen vergleichsweise viel Platz und haben eine geringe Energiedichte, dafür sind sie billig, nicht entzündlich und enthalten keine bedenklichen Materialien.

Denn die für die Akku-Herstellung nötigen Rohstoffe zeigen die globalen Abhängigkeiten auf: Lithium ist an sich kein seltener Rohstoff, Vorkommen gibt es auch in Europa, doch gefördert wird es hier (noch) nicht. Derzeit stammen 80 Prozent des weltweit abgebauten Lithiums aus Chile, Australien und Argentinien. Weiterverarbeitet wird es zum grossen Teil in China. In China wird auch das meiste Grafit abgebaut und weiterverarbeitet, das in vielen Batterien steckt. Nickel, von dem die typische Batterie eines E-Autos etwa 40 Kilogramm enthält, stammt oft aus Russland, ebenso wie Palladium. Als besonders heikel gilt Kobalt, das zum grossen Teil aus der Demokratischen Republik Kongo stammt. Aus den Minen dort wird immer wieder über Kinderarbeit berichtet, auch wenn es eine ganze Reihe zertifizierter Minen gibt, bei denen das nicht geduldet wird. Zudem ist Kobalt giftig, wird eingeatmet und verseucht das Wasser.

Das Problem von grossem Wasserverbrauch und -verunreinigung, auch durch die für die Extrahierung verwendeten Chemikalien, betrifft alle genannten Rohstoffe. Jeder Bergbau und erst recht Tagebau hinterlässt Spuren in der Landschaft.

Die Metalle der seltenen Erden werden, anders als häufig vermutet, im E-Auto nicht für die Batterien benötigt, sondern stecken in den starken Permanentmagneten, die in vielen Elektromotoren zum Einsatz kommen. Immer mehr E-Auto-Hersteller aber verwenden Motoren ohne Magneten.

Wie werden Akkus von Elektroautos rezykliert?

Die meisten Lithium-Ionen-Batterien werden heute in einem Ofen verbrannt und anschliessend vermahlen. Dabei schmelzen die dünnen Kupferfolien der Batterien und bilden mit Kobalt und Nickel eine Legierung, die sich wiederverwerten lässt. Lithium, Grafit, Aluminium und der flüssige Elektrolyt verbrennen jedoch und landen in einer Schlacke. Bei der «kalten» Methode werden die Batterien geschreddert. Da die Akkus schon beim kleinsten Funken in Flammen aufgehen können, werden sie in einem luftdichten Raum mit Stickstoff geflutet. Dies verhindert ein Verbrennen. So lassen sich die Batterien zu einem Pulver zermahlen, das zu 96 Prozent wiederverwertbar ist. Seit März 2019 arbeitet die Eidgenössische Materialprüfungsanstalt (Empa) gemeinsam mit der Schweizer Stiftung Auto-Recycling an der Optimierung des Batterie-Recyclings. Sie analysiert Systeme in Nachbarländern, untersucht die Kosten und den ökologischen Fussabdruck und stellt Modellrechnungen an.

Einen neuen Ansatz wählt der frühere Tesla-Technikchef JB. Straubel mit seiner kalifornischen Recyclingfirma Redwood Materials. Dort soll das Recycling von Metallen, die in Lithiumionenbatterien verwendet werden, einen Anteil von 95 bis 98 Prozent erreichen, glaubt Straubel. Er plant ein bis zu hundertfachem Recycling bestehender Materialien, bevor neue benötigt werden. Das Spektrum an Materialien, die sich aus Elektroautos, aber auch Handys und anderer schnelllebiger Kleinelektronik herausholen und rezyklieren lassen, ist laut Redwood Materials gross. Lithium, Nickel, Kupfer, Gold, Silber, Kobalt, Palladium, Tantal, Neodym und Kohlenstoff sind nur einige der Stoffe auf dem «Speiseplan» von Redwood Materials.

Welche Anwendungen ausser Autos, Handys und Laptops gibt es für Lithium-Akkus und ihre Weiterentwicklungen?

Ein wichtiger Bereich, in dem Batterien zum Einsatz kommen und in Zukunft noch mehr gebraucht werden, ist die Speicherung von Wind- und Sonnenenergie. Geeignet – und bereits im Einsatz – sind sie dabei nach derzeitigem Stand vor allem für die kurzfristige Speicherung über maximal einige Stunden und damit zur Netzstabilisierung.

Dafür müssen nicht unbedingt neue Batterien gebaut werden, es gibt auch die Idee der Second Life-Nutzung: Wenn das Auto verschrottet wird, kann die Batterie noch als Speicher im Haushalt dienen. Im Idealfall wird etwa Solarenergie per Photovoltaikzellen auf dem Hausdach gewonnen und in der Batterie gespeichert. Der so gepufferte Strom kann im Haushalt und fürs Beladen des Elektrofahrzeugs verwendet werden.

Eine weitere Möglichkeit besteht im sogenannten bidirektionalen Laden, bei dem Strom aus der Antriebsbatterie des Fahrzeugs in den Haushaltsspeicher fliesst. So werden Autos zu Energiespeichern – immerhin verbringen sie typischerweise 90% ihrer Zeit nicht fahrend, sondern stehend. Bei Nissan, Renault, Peugeot, Honda, Mitsubishi sowie Hyundai/Kia sind bereits Modelle mit dieser Fähigkeit erhältlich, VW und Tesla arbeiten daran.

Auch für die in grossen Teilen noch nicht existierende öffentliche Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge werden in manchen Fällen Batterien benötigt.

Schwere Flugzeuge, Schiffe oder Lastwagen werden sich auch in Zukunft auf der Langstrecke kaum mit Batterien antreiben lassen.

Welche Bemühungen gibt es, um bessere Batterien zu entwickeln?

Wissenschafter und Unternehmen auf der ganzen Welt forschen seit Jahrzehnten an neuen Batteriekonzepten, sei es für Autos, sei es als Energiespeicher. Im Wochentakt verkünden sie, den «Super-Akku» gefunden zu haben. Gebaut oder seriell produziert wird aber noch keine dieser Varianten, auch wenn es viele Ankündigungen gibt, dass dies in den kommenden Jahren passieren soll. Ein wichtiges Konzept ist dabei die Energiedichte, das ist die Zahl der Wattstunden (Wh), die ein Kilogramm Batterie liefern kann. Ein durchschnittlicher Lithiumionen-Akku erreicht etwa 250 Wh pro Kilogramm (zum Vergleich: bei Flugzeugtreibstoff sind es etwa 12 000 Wh/kg). Inzwischen stehen aber nicht mehr nur Leistung oder Gewicht, sondern auch die Nachhaltigkeit im Fokus.

Die Forscher verfolgen auf der Suche nach dem «Super-Akku» im Wesentlichen folgende Konzepte: