Den CO2-Fußabdruck von Batterien verbessern
Klimaschutz und Ressourcenschonung gehören zu den wichtigsten Herausforderungen unserer Zeit. Zwei tragende Säulen, um die CO2-Emissionen weltweit zu reduzieren, sind die Elektromobilität und Strom aus erneuerbaren Energiequellen. Für beides sind effiziente elektrochemische Energiespeicher unerlässlich. Aktuell beherrscht die Lithium-Ionen-Batterie (LIB) den Markt, denn sie vereint eine hohe Energiedichte und einen langen Lebenszyklus mit verbraucherorientierter Sicherheit und Wirtschaftlichkeit. Doch wie ist es um ihre eigene Nachhaltigkeit bestellt?
Alternative Materialien für eine „grüne“ Batterie
Insbesondere der Herstellungsprozess der LIB beansprucht derzeit noch viel Energie. Hinzu kommt, dass sie zum Teil kritische Rohstoffe enthält. Damit sich der CO2-Fußabdruck der Batterie verbessert, muss ihr gesamter Lebenszyklus nachhaltig ausgerichtet werden: von der Auswahl der Rohstoffe und deren Transport über die Produktion bis hin zur Entsorgung und dem Recycling. Den Status Quo der LIB unter dem Gesichtspunkt der Nachhaltigkeit sowie die Möglichkeiten, mit alternativen Materialen eine „grüne“ Batterie herzustellen, haben die MEET-Wissenschaftler um Dr. Simon Dühnen detailliert analysiert. Ihre Analyse fokussiert sich darauf, inwiefern Rohstoffe langfristig verfügbar sind und wie sich verschiedene Batteriematerialien und -technologien auf die Nachhaltigkeit und Energiebilanz des gesamten Lebenszyklus auswirken.
Die Ansätze für nachhaltige Materialien sind vielfältig. So soll etwa das Kobalt in der Kathode der LIB langfristig ersetzt werden, denn der Rohstoff ist knapp und gehört zu den Kostentreibern bei der Herstellung. Darüber hinaus gelten die Bedingungen beim Abbau in vielen Fällen als fragwürdig. Doch Alternativen – zum Beispiel organische Kathodenmaterialien, die frei von Übergangsmetallen sind – scheitern derzeit aufgrund ihrer geringen Energiedichte und ihrer Instabilität in klassischen Elektrolyten der LIB. „Das Beispiel zeigt die große Herausforderung beim Umstieg auf grünere Materialien. Sobald wir eine Komponente ersetzen, wirkt sich das auch auf alle Komponenten der Batteriezelle und somit auf ihre Leistung aus“, sagt MEET-Wissenschaftler Dr. Simon Dühnen. Ein nachhaltiges Energiespeichersystem, das mit der Performanz und Verlässlichkeit einer LIB konkurrieren kann, gibt es deshalb aktuell noch nicht.
Anwendungsfall der Batterie entscheidet über Nachhaltigkeitsstrategie
„Mit der richtigen Strategie können wir den CO2-Fußabdruck von Batterien trotzdem verbessern“ betont Dühnen. Dabei unterscheidet er je nach Anwendungsfall. Bei mobilen Speichertechnologien, die zum Beispiel in Elektroautos zum Einsatz kommen, ist die Energiedichte und Leistungsfähigkeit entscheidend und eine Abkehr von der LIB deshalb zurzeit nicht denkbar. Umso wichtiger ist es, ihre Materialien stringent zu recyceln. Da zudem viele Batterien aus mobilen Geräten nicht bis zum Ende ihrer Leistungsfähigkeit genutzt werden, können sie in eine zweite, oftmals stationäre Anwendung („Second Life“) überführt werden. Dadurch verteilen sich die CO2-Emissionen der Batterie auf einen längeren Zeitraum.
Stationäre Energiespeichersysteme, die beispielsweise Strom aus erneuerbaren Energiequellen sichern, haben einen größeren Spielraum bei Gewicht und Größe. „Wichtig ist, dass wir in solchen Batterien viel speicherfähiges Aktivmaterial benötigen“, erklärt Dühnen. „Nachhaltig verfügbare Materialien wie zum Beispiel Natrium und Schwefel oder nachwachsende Rohstoffe können in diesem Bereich deshalb eine entscheidende Rolle spielen. Umso wichtiger ist es, weiter an alternativen Batterietechnologien zu forschen.“
Die detaillierte Analyse, welche Materialien für eine „grüne“ Batterie in Frage kommen und wo deren Stärken und Schwächen liegen, lesen Sie in dem Open Access Review Artikel der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins „Small Methods“. In enger Kooperation haben die MEET-Wissenschaftler Dr. Simon Dühnen, Johannes Betz, Martin Kolek, Dr. Richard Schmuch, Prof. Dr. Martin Winter und Dr. Tobias Placke die Analysen und Ergebnisse hierfür zusammengestellt.