Nachhaltigkeit & Recycling: Topthemen in Batterieforschung und Ausbildung

Da weltweit immer mehr Energiespeicher benötigt werden, gewinnt die Batterieforschung weiter an Bedeutung. Neben Anforderungen wie hohen Energiedichten, langer Lebensdauer bei verbraucherverträglicher Sicherheit oder Wirtschaftlichkeit erweisen sich Nachhaltigkeit und Recycling als Topthemen der Forschung.

Die Herausforderungen der Nachhaltigkeit erstrecken sich über den gesamten Lebenszyklus von Energiespeichersystemen wie den weit verbreiteten Lithium-Ionen-Batterien (LIB): von der Rohstoffgewinnung und der Produktion des Batteriematerials über die Zell- und Batteriepack-Produktion bis hin zur Nutzung der Batterie und den Möglichkeiten der Zweitnutzung und des Recyclings. Während die Forschung ein breites Spektrum an Themen abdecken muss, muss sich dies auch in der Ausbildung angehender Batterieforscher*innen widerspiegeln.

Nachhaltige Materialien für „grüne“ Batterien

Nachhaltige Materialien sind ein zentraler Forschungsbereich und die Ansätze sind vielfältig: So soll beispielsweise Kobalt in der Kathode der LIB langfristig ersetzt werden, da der Rohstoff knapp und einer der Kostentreiber in der Produktion ist. Zudem gelten die Bedingungen beim Abbau als bedenklich. Nachhaltig verfügbare Materialien wie Natrium und Schwefel oder nachwachsende Rohstoffe können in diesem Bereich eine entscheidende Rolle spielen. Alternativen – zum Beispiel übergangsmetallfreie organische Kathodenmaterialien – scheitern derzeit jedoch an ihrer geringen Energiedichte und ihrer Instabilität in den klassischen Elektrolyten der LIB. Daher ist es unabdingbar, weiter an alternativen Batterietechnologien zu forschen. Eine der großen Herausforderungen bei der Umstellung auf "grünere" Materialien ist die Interaktivität der oft hochreaktiven chemischen Materialien: Sobald eine Komponente ausgetauscht wird, sind alle Komponenten der Batteriezelle und damit deren Leistung betroffen.

Forschungsbedarf bei Batteriezellenproduktion, Recycling und Second Life

Auch der Produktionsprozess der LIB steht derzeit noch vor zahlreichen ökologischen Herausforderungen wie einer energieintensiven Materialherstellung (Stromabnehmer, Graphit und Metalloxide), fluorierten und toxischen Verbindungen (Elektrolyt, Kathodenbinder und Metalloxide), kostspieliger Elektrodenverarbeitung (nichtwässrige Lösungsmittel bei der Verarbeitung von Kathoden) und energieintensiven Zellproduktion. Da sich Produktionsprozesse von LIB nicht 1:1 auf die meisten Nachfolgetechnologien übertragen lassen, sind weitere Forschungen zu neuen Prozesstechnologien, Fertigungsumgebungen und Kompetenzen für Post-Lithium-Ionen-Batterien (PLIB) notwendig. Auch hierbei können und müssen Nachhaltigkeitsaspekte von Beginn an Berücksichtigung finden.

Die aktuellen Recyclingraten von LIBs sind aus verschiedenen Gründen wie fehlenden technischen Einschränkungen, wirtschaftlichen Barrieren, logistischen Problemen sowie regulatorischen Lücken gering. Da zudem viele Batterien zum Beispiel aus mobilen Geräten nicht bis zum Ende ihrer Kapazität genutzt werden, sollten sie einer zweiten, oft stationären Anwendung zugeführt werden, dem so genannten „Second Life“. Dadurch verteilen sich die CO₂-Emissionen der Batterie auf einen längeren Zeitraum. Eine riesige Vielfalt an zu lösenden Fragen und Impulsen, die es für die Batterieforschung zu beantworten gilt.

Interdisziplinäre Batterieforschung für volles Nachhaltigkeitspotenzial

Nicht nur die Forschungsthemen sind breit gefächert, auch die beteiligten Disziplinen zeigen schnell die Notwendigkeit einer interdisziplinären Zusammenarbeit, um den Fragen der Nachhaltigkeit und dem Recycling auf den Grund zu gehen. Während sich Naturwissenschaftler*innen zum Beispiel mit Materialien oder Methoden befassen, konzentrieren sich Ingenieur*innen auf Produktion und Maschinen, Wirtschaftswissenschaftler*innen nehmen eine ökonomische Bewertung auf Systemebene vor, die mögliche Nachhaltigkeitskonflikte erfasst. All diese Beiträge sind entscheidend, wenn Energiespeichertechnologien ihr volles Nachhaltigkeitspotenzial erreichen sollen. Forschung zur Nachhaltigkeit ist daher keine Option, sondern ermöglicht erst die dringend notwendige Energiewende und eröffnet gleichzeitig eine Vielzahl von attraktiven Möglichkeiten für Doktorand*innen und Postdocs.