Die Labore von Twaice erzeugen schnell Testdaten – etwa zum Alterungsverhalten von Batterien.
+
Die Labore von Twaice erzeugen schnell Testdaten – etwa zum Alterungsverhalten von Batterien.

Bioökonomie

Ein zweites Leben für Batterien

Die Batterietechnologie gilt als Schlüssel für eine erfolgreiche Energiewende. Doch noch schadet die Produktion oft Mensch und Natur. Für Fachleute ist klar: Die Stromspeicher müssen langlebiger werden – und ohne problematische Komponenten auskommen

Von Felix Spies

Knapp 400 000 Fahrzeuge mit elektrischem Antrieb wurden 2020 neu zugelassen. Ein Jahr zuvor waren es 112 000, wie aus dem aktuellen E-Mobility-Index von Roland Berger hervorgeht.

Doch je mehr E-Autos auf den deutschen Straßen unterwegs sind, desto lauter werden auch die Forderungen, die für die Elektromobilität nötigen Batteriemodule klimafreundlicher zu produzieren. Große Hoffnungen setzen viele auf Lithium-Ionen-Batterien, die schon jetzt in nahezu allen Elektrofahrzeugen zu finden sind. Henning Lorrmann leitet das Fraunhofer Forschungs- und Entwicklungszentrum (FuE-Zentrum) für Elektromobilität in Bayern. Er sagt: „Die Lithium-Ionen-Batterie ist aus technologischer Sicht der Zehnkämpfer in der Batterietechnologie.“ Sie sei in allen Disziplinen wie Energie- und Leistungsdichte, Lebensdauer, Zuverlässigkeit und Kosten gut aufgestellt. Der große Nachteil: das Recycling der Batterien innerhalb der Wertschöpfungskette. Um die Mobilität der Zukunft so klimafreundlich wie möglich zu gestalten, müssen Forschung und Industrie daher an neuen Batterie-Lösungen arbeiten und ihren Produktkreislauf verbessern.

Die gesamte Wertschöpfungskette einer Batteriezelle muss klimafreundlicher werden

Das Team um Lorrmann ist Teil des EU-Projekts Battery2030+ (siehe Infokasten). Sie forschen daran, die gesamte Wertschöpfungskette einer Batteriezelle klimafreundlicher zu gestalten – angefangen vom Material bis hin zur finalen Batterie. Lorrmann erklärt: „Wir testen das Material, bauen Kleinserien auf und können so Prototypenzellen zusammenbauen.“ Dabei spielen sie verschiedene Szenarien durch und zyklisieren die Batterien. Unter der Zyklisierung eines Batteriemoduls versteht man den Auf- und Entladevorgang eines Moduls. Wie eine Batterie sich auf- und entlädt, beeinflusst, wie sie altert – sprich wie lange sie wie gut genutzt werden kann. Die Forschenden öffnen anschließend die zyklisierten Zellen und versuchen, mithilfe chemischer Verfahren mögliche Schwachstellen der Batterie zu entschlüsseln. Die dabei gewonnen Daten nutzen Lorrmann und sein Team dann für weitere Forschungen.

Das Unternehmen Twaice mit Sitz in München sammelt ebenfalls große Datenmengen, um Batterien für E-Fahrzeughersteller und Energieunternehmen zu optimieren. Die gesammelten Daten führt Twaice in sogenannten Big-Data-Anwendungen zusammen. Unter dem Begriff Big Data versteht man besonders große Datenmengen, die wegen ihrer Größe und der fehlenden Struktur nur mittels Algorithmen geordnet und dadurch verwendbar gemacht werden können. Über diese können Batterie-Ingenieure wie Jan Singer Rückschlüsse darüber ziehen, wie die Batterien altern und sich über die Zeit verhalten.

BATTERY 2030+

Im März 2019 startete die europäische Forschungsinitiative Battery 2030+. Ziel dieser Initiative ist es, die wissenschaftliche und industrielle Batterieforschung- und -technik zusammenzubringen. Die Initiative besteht aus 17 Organisationen aus neun europäischen Ländern und ist Teil der European Battery Alliance.

Die European Battery Alliance wurde im Oktober 2017 ins Leben gerufen. Ziel ist es, die Transportemissionen bis 2050 um 90 Prozent zu reduzieren und eine in Europa ansässige Batteriewertschöpfungskette aufzubauen. Damit sollen Unternehmen unterstützt werden, saubere Produkte und Technologien zu entwickeln und zu nutzen. FR

Vor allem eine längere Anwendungszeit und die Nutzung in sogenannten Second-Life-Anwendungen seien wichtige Faktoren bei seiner Arbeit, sagt Singer. Beispielsweise lassen sich gebrauchte Lithium-Ionen-Batterien aus mobilen Anwendungen wie Fahrzeugen oft noch gut in stationäre Energiespeicher integrieren. „Die gebrauchten Batterien haben oftmals noch 80 Prozent ihrer Leistungsfähigkeit. Im stationären Energiebereich kann man einen Kapazitätsverlust zwischen 30 und 40 Prozent locker hinnehmen, um das System noch sicher und zuverlässig zu betreiben“, erklärt Singer. Die Batterien werden so wiederverwendet und bekommen ein zweites Leben.

Stationäre Energiespeicher stabilisieren das Stromnetz bei hohen Lastspitzen. Außerdem können sie Strom, der tagsüber zu viel produziert wurde, speichern, um ihn dann nachts ins Netz abzugeben. Dass sich diese Systeme besonders gut für Second-Life-Anwendungen der Batterien eignen, liegt laut Singer vor allem daran, dass die Belastungs-Peaks bei stationären Energiespeichern nicht so hoch sind. Beim Beschleunigen und Bremsen im Automobilbereich müsse die Batterie viel mehr auf einmal leisten. „Es ist durchaus möglich, die Lebensdauer einer Batterie dadurch um 30 bis 40 Prozent zu verlängern“, sagt der Batterie-Ingenieur.

Es gibt Ansätze, Batterien ohne Kobalt und Lithium herzustellen

Batterie-Ingenieur Jan Singer.

Auch Henning Lorrmann vom FuE-Zentrum für Elektromobilität in Bayern ist der Ansicht, dass eine längere Anwendungszeit und die Nutzung in Second-Life-Konzepten wichtig seien. Um Batteriemodule auf Dauer klimafreundlicher herzustellen und zu nutzen, müssten die Komponenten aber aus erneuerbaren Energiequellen stammen und mit maximaler Effizienz genutzt werden. Daher sei auch die Substitution innerhalb der Batterien ein Thema. Es befinde sich beispielsweise immer noch Kobalt in den Batterie-Kathoden. „Da gibt es fortgeschrittene Ansätze, Kathoden auch kobaltfrei herzustellen, wie beispielsweise mit einer Mischung aus Nickel und Mangan“, sagt Lorrmann. Gleiches könne auch für Lithium der Fall sein: Es gebe Ansätze, Lithium in Zukunft beispielsweise durch Natrium zu ersetzen. Allerdings liege die Leistungsfähigkeit der Natrium-Ionen noch deutlich hinter denen der Lithium-Ionen.

Dass Lithium für Mensch und Natur jedoch ein problematischer Bestandteil von Batterien ist, zeigt sich im sogenannten Lithiumdreieck. Mit mehr als 60 Prozent der Gesamtmenge befinden sich die größten Lithiumvorkommen an der Grenze von Argentinien, Bolivien und Chile. Da die Förderung von Lithium sehr wasserintensiv ist, sinkt in den betroffenen Regionen der Grundwasserspiegel drastisch. Darunter leidet nicht nur die Vegetation: Auch die Menschen kämpfen immer stärker mit den Folgen des Lithium-Abbaus, wie aus einem Report von Brot für die Welt hervorgeht.

Bioökonomie 

Schwerpunkt: In unserer Reihe „Zukunft hat eine Stimme“ stellen wir über mehrere Wochen hinweg spannende Forschungsansätze vor und berichten, wie Bioökonomie schon jetzt in der Praxis angewandt wird. 

Um die Superkräfte der Algen und Implantate aus Spinnenseide ging es unter anderem. In den kommenden Ausgaben lesen Sie etwa, wie Reisanbau nachhaltiger werden und warum kein Palmöl auch keine Lösung sein kann. 

WEITERLESEN: Alle Texte des Schwerpunkts finden Sie unter www.fr.de/zukunft. Eine Multimedia-Reportage der Studierenden gibt es hier: www.bioökonomie.info; mehr Infos: www.wissenschaftsjahr.de FR

Auch das Recycling von Batterien muss künftig besser funktionieren

Die EU-Kommission hat sich in einer Pressemitteilung im Dezember 2020 dafür ausgesprochen, den Lebenszyklus von Batterien kreislauforientierter und klimafreundlicher zu gestalten. Darin heißt es: „Batterien, die in der EU in Verkehr gebracht werden, sollten über ihren gesamten Lebenszyklus nachhaltig, leistungsfähig und sicher sein.“ Laut Singer muss deshalb der Schritt hin zu einer Produktion mit erneuerbaren Energien, einer geschlossenen Kreislaufwirtschaft und einer Verlängerung der Lebensdauer gemacht werden.

Auch wenn neue und effizientere Module entwickelt werden, die die Lebensdauer von Batterien verlängern: Jedes Modul wird trotzdem recycelt werden müssen. Aus diesem Grund müsse man ebenfalls die Recyclingverfahren verbessern, ist Lorrmann überzeugt. Damit Batterien jedoch in Zukunft in einem ständigen Kreislauf geführt werden könnten, seien nicht nur Forschung und Industrie gefragt. Lorrmann fügt hinzu: „Am Ende ist das auch ein gesellschaftspolitisches Thema.“

Für den Schwerpunkt Bioökonomie kooperiert die FR mit der Hochschule für Angewandte Wissenschaften Würzburg-Schweinfurt (FHWS). Die Artikel haben Studierende verfasst. Das Projekt von FHWS und der Universität Würzburg wird im Rahmen des Wissenschaftsjahres 2020/21 – Bioökonomie vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert.