Ziel der Arbeit ist es, die beiden, auch chemisch anspruchsvollen, Technologien der Natrium- und Lithium-Ionen-Akkus verständlich zu erläutern und den Lesern die Möglichkeit zu geben, sich ein Bild von der Existenz der unterschiedlichen Akkus zu machen und die Fragestellung zu betrachten, ob und wieweit Lithium-Ionen-Akkus von den Natrium-Ionen-Akkus abgelöst werden können.
Der Grund für die Wahl dieser Fragestellung ist einfach zu erklären: so gut wie jeder ist Teil des Themas, ohne es wirklich zu wissen. Fast alle sind im Besitz von Lithium und sind sich dessen größtenteils nicht bewusst. Denn schon diejenigen, die ein Smartphone benutzen, sind Eigentümer von zwei bis drei Gramm Lithium, welches in ihrem Akku mit dafür verantwortlich ist, dass das geliebte Handy nach stundenlanger Nutzung wieder schnell aufgeladen werden kann. Auch in Tablets, E-Autos oder den, immer mehr in der Stadt genutzten, E-Scootern steckt ein Akku, der Lithium enthält. Aufgrund des allerorts steigenden Umweltbewusstseins wird auch die Nutzung von batteriebetriebenen Autos in Frage gestellt, was sowohl die Beschaffung der Ressourcen angeht als auch die anschließende Recyclingmöglichkeit.
Als ich vor einiger Zeit auf die Natrium-Ionen-Akkus gestoßen bin, bekam ich die Idee, ob das eine Alternative hinsichtlich Ressourcen, Umweltschutz, Anwendbarkeit und Kosten sein könnte. Jedoch ist zu klären, ob das so ist und inwieweit sie in einigen Bereichen die gegenwärtigen Lithium-Ionen-Akkus ersetzen können. Die weltweite Anzahl an Akkus steigt aufgrund wachsender Elektroniknachfrage rasant an. Trotz alledem sollten uns die Umwelt und die Menschen in den Abbaugebieten der für die Komponenten genutzten Materialien am Herzen liegen. Deshalb gehe ich im Rahmen meiner Facharbeit auf dieses brandaktuelle Thema ein.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Lithium-Ionen-Akku
2.1. Aufbau und Funktion
2.2. Vorkommen und Gewinnung
2.3. Recycling
3. Natrium-Ionen-Akku
3.1. Aufbau und Funktion
3.2. Vorkommen und Gewinnung
3.3. Recycling
4. Gegenüberstellung
4.1. Sicherheit
4.2. Wirtschaftlichkeitsvergleich
4.3. Umwelt- und Sozialverträglichkeit
5. Zukunftsfähigkeit
6. Fazit
Literaturverzeichnis
1. Einleitung
Der Grund für die Wahl dieser Fragestellung ist einfach zu erklären: so gut wie jeder ist Teil des Themas, ohne es wirklich zu wissen. Fast alle sind im Besitz von Lithium und sind sich dessen größtenteils nicht bewusst. Denn schon diejenigen, die ein Smartphone benutzen, sind Eigentümer von zwei bis drei Gramm Lithium1, welches in ihrem Akku mit dafür verantwortlich ist, dass das geliebte Handy nach stundenlanger Nutzung wieder schnell aufgeladen werden kann. Auch in Tablets, E-Autos oder den, immer mehr in der Stadt genutzten, E-Scootern steckt ein Akku, der Lithium enthält.
Aufgrund des allerorts steigenden Umweltbewusstseins wird auch die Nutzung von batteriebetriebenen Autos in Frage gestellt, was sowohl die Beschaffung der Ressourcen angeht als auch die anschließende Recyclingmöglichkeit.
Als ich vor einiger Zeit auf die Natrium-Ionen-Akkus gestoßen bin, bekam ich die Idee, ob das eine Alternative hinsichtlich Ressourcen, Umweltschutz, Anwendbarkeit und Kosten sein könnte. Jedoch ist zu klären, ob das so ist und inwieweit sie in einigen Bereichen die gegenwärtigen Lithium-Ionen-Akkus ersetzen können.
Die weltweite Anzahl an Akkus steigt aufgrund wachsender Elektroniknachfrage rasant an. Trotz alledem sollten uns die Umwelt und die Menschen in den Abbaugebieten der für die Komponenten genutzten Materialien am Herzen liegen.
Deshalb gehe ich im Rahmen meiner Facharbeit auf dieses brandaktuelle Thema ein.
Aufgrund der relativ jungen und noch nicht vollständig erforschten Technologie gibt es nur wenige aussagekräftige Quellen, die in der Facharbeit nutzbar sind.
Die Facharbeit ist in sechs Kapitel eingeteilt.
Nach der jetzigen Einleitung als Kapitel eins folgt Kapitel zwei mit den Erläuterungen des Aufbaus und der Funktion des Lithium-Ionen-Akkus sowie Darstellungen über Vorkommen und Gewinnung des nötigen Lithiums. Anschließend werden gesetzliche Rahmenbedingungen, Transport, Sicherheitstechnik und das eigentliche Recyclingverfahren mit Demontage und Wiederverwendbarkeit der Komponenten betrachtet.
Das dritte Kapitel thematisiert den Natrium-Ionen-Akku mit gleicher Herangehensweise.
Kapitel vier umfasst sowohl den Wirtschaftlichkeitsvergleich als auch die Umweltverträglichkeit.
Im fünften Kapitel gehe ich zunächst auf die Zukunftsfähigkeit der Technologien ein und ziehe in Kapitel sechs das Fazit.
Ziel der Arbeit ist es, die beiden, auch chemisch anspruchsvollen, Technologien verständlich zu erläutern und den Lesern die Möglichkeit zu geben, sich ein Bild von der Existenz der unterschiedlichen Akkus zu machen und die Fragestellung zu betrachten, ob und wieweit Lithium-Ionen-Akkus von den Natrium-Ionen-Akkus abgelöst werden können.
Weil Akku auf Englisch „battery“ bedeutet und „Batterie“ auch häufig als Überbegriff für jegliche Energiespeicher genutzt wird, kommt es häufig zur Verwechselung von Batterie und Akkus in der Fachliteratur.
Deshalb eine kurze Erläuterung: Batterien können lediglich einmal entladen werden, wohingegen Akkus wieder aufladbar sind. Viele einzelne Zellen zusammen ergeben einen Akku.
Brennstoffzellen als weitere Möglichkeit zur Energiespeicherung werden zwar kurz erwähnt, aber nicht näher erläutert.
2. Lithium-Ionen-Akku
2.1. Aufbau und Funktion
Die einzelne Zelle besteht aus zwei Elektroden: der positiv geladenen Kathode (rot) und der negativ geladenen Anode (grün). Zwischen ihnen befindet sich ein leitfähiger Elektrolyt, der die Lithiumionen von der einen Elektrode zur anderen transportiert.
Zur elektronischen Trennung der Elektroden befindet sich zwischen ihnen ein mikroporöser Separator. Er lässt ausschließlich die Lithiumionen durch. Die Elektronen werden aufgehalten. Zudem verhindert er, dass es zu einem Kurzschluss kommt.
Die Elektroden sind jeweils aus einem Stromableiter und einem Aktivmaterial, in das sich die Lithiumionen einlagern, aufgebaut. Bei der Kathode sind diese aus Aluminium (Al) und Kobalt bzw. teilweise auch Nickel; bei der Anode aus Kupfer (Cu) und Grafit.
Beim Entladen (rote Pfeile), also wenn der Akku verwendet wird, wird chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Das heißt, es kommt zu einer Oxidation bei der Anode. Dabei geben die Lithiumatome negativ geladene Elektronen ab, wodurch positiv geladene Lithiumionen entstehen. Sowohl die Ionen als auch die Elektronen wandern zur Kathode. Der Unterschied liegt darin, dass die Ionen durch den Elektrolyten und den Separator gelangen und die Elektronen den Weg über den äußeren Stromfluss nehmen. So können elektrische Verbraucher betrieben werden. An der Kathode werden die Elektronen dann von Kupfer bzw. Nickel durch einen dort ablaufenden Reduktionsprozess aufgenommen. Lithium hingegen bleibt in ionisierter Form.
Beim Laden des Akkus ist der Prozess umgekehrt (grüne Pfeile). Ionen und Elektronen wandern hierbei auf ihren gewohnten Wegen zurück zur Anode. Sie reagieren miteinander und es entstehen wieder neutrale Lithium-Atome. Diese werden so lange in der Grafitschicht eingelagert, bis der Akku wieder bereit ist zum Entladen. Elektrische Energie wird demnach in chemische Energie umgewandelt.2 3 4
2.2. Vorkommen und Gewinnung
Vorkommen
Die Lithiumvorkommen sind auf wenige Länder begrenzt. Gut zwei Drittel der Ressourcen befinden sich mit insgesamt 32,3 Mio. Tonnen im sogenannten Lithiumdreieck bestehend aus Chile, Argentinien und Bolivien. Danach folgt Australien mit 7,7 Mio. Tonnen.
Der Anteil von Deutschland mit 0,2 Mio. Tonnen ist dagegen verschwindend gering und für den Weltmarkt bislang irrelevant.
Zusätzlich ist zu erwähnen, dass die weltweiten Vorkommen limitiert sind5
Darüber hinaus wird sich der Bedarf der globalen Fördermengen an Lithium von 2013 mit ca. 610 Tonnen bis 2035 voraussichtlich auf ca. 110.000 Tonnen erhöhen. Auch die Nachfrage nach den anderen verwendeten Metallen, wie Kobalt und Kupfer, wird bis 2035 maßgeblich steigen.
Vergleicht man das mit einer weiteren Quelle6, die besagt, dass die Jahresproduktion der bedeutendsten Förderländer von Lithium von 2008 (25.400 Tonnen) bis 2018 (85.000 Tonnen) gestiegen ist, scheint die Schätzung zutreffend, wenn nicht sogar zu gering zu sein.
Gewinnung
Lithiumhaltige unterirdische Sole, also das Wasser mit den gelösten Salzen, wird mithilfe von Sprengungen oder Bohrungen freigelegt. Daraufhin wird das Wasser an die Oberfläche gepumpt, wo es in Becken geleitet wird, die 20 Mal so groß sein können wie ein Fußballfeld.7
In diesen wird es mit Süßwasser, aus Quellen und Flüssen stammend, chemisch aufbereitet. Zum Beispiel werden in der Livent Mine in Argentinien etwa sieben Millionen Liter an einem einzelnen Tag verbraucht.8
Schließlich wird es durch starke Sonneneinstrahlung verdunstet. Nach einigen Monaten hat die Flüssigkeit einen Lithiumkonzentratanteil von gut 5 %. Diese wird schließlich über Rohrleitungen weitergepumpt und mithilfe einer Schmelzflusselektrolyse (dieses Verfahren wird später bei der Natriumgewinnung in 3.2. erklärt) zu metallischem Lithium weiterverarbeitet.
Das oben erwähnte Süßwasser dient zusätzlich der Reinigung der Anlagen sowie als Trinkwasser für das Personal.9 10 11 12
Ebenfalls kann Lithium aus dem Hartgestein Petalit gewonnen werden, was aber umständlicher ist und jetzt zu weit führen würde.13
In Australien zum Beispiel wird das Lithium in Bergwerken abgebaut.14
Neben der aufwendigen Gewinnung und den hohen Wasserbedarfen gibt es weitere Nachteile, die bei der Lithium-Gewinnung auftreten und insbesondere die Einwohner in den Fördergebieten der jeweiligen Regionen betreffen. Die Landschaft wird durch Bohrungen nach Süßwasser und das Bauen von Transportwegen zerstört. Infolgedessen werden die natürlichen Barrieren zwischen Salz- und Süßwasser vernichtet und das Wasser wird kontaminiert.
Das ist zusätzlich im Hinblick auf die Trockenheit und den unterdurchschnittlichen Niederschlag dieser Regionen umso problematischer.
San Pedro de Atacama im Nordosten Chiles beispielsweise liegt 2.435 m oberhalb des Meeresspiegels. Das Klima ist vollarid, die Jahresdurchschnittstemperatur beträgt 14,5 °C und der Jahresniederschlag liegt bei 83 mm.
Dadurch, dass der Lebensraum der Einheimischen der betroffenen Regionen immer weiter genommen wird, ihre Tiere vertrieben und die Wasserstellen sowie Brunnen, die sowohl für sie selbst als auch für ihr Vieh lebensnotwendig sind, nicht mehr nutzbar oder gar zerstört werden, haben sie enorme Existenzängste. Zusätzlich haben sie die Sorge, dass auch gesetzlich geschützte Tiere sterben und sie befürchten, dass nichts geändert und verbessert wird.
Die verzweifelten Anwohner verstehen nicht, warum Betriebe, die solche riesigen Gewinnsummen erzielen, nicht in die Sicherheit investieren. Das kontaminierte Wasser wird weder untersucht noch wiederaufbereitet.
Ebenfalls wird aktuell noch kein Versuch unternommen, die Landschaft zu rekultivieren. Selbst nach Einschreiten von Wissenschaftlern, die die verantwortlichen Unternehmen und Ministerien bezüglich der genannten Probleme aufklärten, verbesserte sich nichts.15
2.3. Recycling
Gesetzliche Rahmenbedingungen
Das generelle Aufbereiten von Batterien ist in Deutschland gesetzlich geregelt.
So steht in Paragraf 5 (Rücknahmepflichten der Hersteller) des Batteriegesetzes (BattG), dass „die Hersteller verpflichtet sind, die von den Vertreibern nach § 9 Absatz 1 Satz 1 zurückgenommenen Altbatterien […] unentgeltlich zurückzunehmen und nach § 14 zu behandeln und zu verwerten.“ In Paragraf 14, Absatz zwei heißt es außerdem, dass „die Beseitigung von Fahrzeug- und Industrie-Altbatterien durch Verbrennung oder Deponierung […] untersagt [sei]“. 16
Laut den Vorschriften der EU ist es Pflicht, dass mindestens die Hälfte des Materials der Lithium-Ionen-Akkus recycelt werden muss. Die andere Hälfte bleibt unverwertet und verlässt die Recyclinganlage oft wieder in Richtung des nächsten Wertstoffhofes.17
Transport und Sicherheit
Gemäß Gesetzgebung müssen die Kunden der Akkus (z. B. der Autohändler, der ein Elektroauto, welches Lithium enthält, verkauft) selbst dafür sorgen, dass der Transport, beispielsweise zu einem Recyclinghof, gefahrlos erfolgt. Problematisch dabei ist allerdings, dass er äußerst aufwendig und im Übrigen wirklich gefährlich ist. Je nach Art des Akkus kann auch teilweise eine explosionssichere Verpackung vonnöten sein.
Daher ist es für den Akkubesitzer (z.B. Autohersteller, Autobesitzer, Recyclinghof) wichtig, die exakten Angaben zu den Akkus zu haben.
Dazu gehören der genaue Typ des Akkus, das Herstellungsdatum und die Anzahl der Ladezyklen. Diese Angaben sind im Falle eines Akkubrandes auch für die Rettungsdienste notwendig.18
Demontage und Wiederaufbereitung
Im Recyclinghof werden die großflächigen Bauteile wie Stahlgehäuse oder Kunststoff demontiert und ins generelle Materialrecycling gegeben. Da dieser Vorgang je nach Akku bis zu einer Stunde dauert, ist er sehr kostenaufwendig. Die Zellen werden daraufhin in einem speziell dafür ausgelegten Hochofen eingeschmolzen. Das hat den Grund, dass dort die verschiedenen enthaltenen Komponenten wie Kobalt, Kupfer und Nickel extrahiert werden können.19
Die Extraktionsmöglichkeit basiert auf den unterschiedlichen Schmelztemperaturen (Kobalt: 1.495 °C; Kupfer: 1.084,4 °C; Nickel: 1.455 °C).20
Aus dem Verbrennungsrückstand wird durch das Verfahren der Hydrometallurgie das Lithium gewonnen. Als Fachbegriff kann hier die „Gewinnungs- und Raffinations elektrolyse , die auf den unterschiedlichen Abscheidungspotentialen der Elemente basier[t]“, genannt werden.21
[...]
1 vgl. www.biorama.eu
2 vgl. www.chemie-schule.de
3 vgl. www.dke.de
4 vgl. www.hlnug.de
5 vgl. www.greenit-solution.de
6 vgl. www.volkswagenag.com
7 vgl. www.dw.de
8 vgl. www.youtube.com
9 vgl. www.edison.media
10 vgl. www.volkswagenag.com
11 vgl. www.youtube.com
12 vgl. www.hlnug.de
13 vgl. www.hlnug.de
14 vgl. www.utopia.de
15 vgl. www.deutschlandfunk.de
16 www.gesetze-im-internet.de
17 vgl. www.br.de
18 vgl. www.efahrer.chip.de
19 vgl. www.efahrer.chip.de
20 vgl. www.chemie.de
21 www.chemie.de
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- Anonymous,, 2021, Werden sich Natrium-Ionen-Akkus gegen die Lithium-Ionen-Akkus durchsetzen?, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1316496
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