Das Ziel dieser Arbeit besteht im Aufzeigen von Möglichkeiten und der Dokumentation des aktuellen sowie des zukünftigen Standes der Recyclingmöglichkeiten in Deutschland und Europa, mit denen sich die enormen Herausforderungen einer kompletten Elektrifizierung des Verkehrs in Bezug auf die Akkumulatoren aus Elektroautos vollziehen lassen. Hierbei wird insbesondere die Batterie des Elektroautos am Ende ihrer Nutzungszeit thematisiert. Aufgrund der von der Bundesregierung angestrebten Ziele von bis zu 15 Millionen rein elektrisch betriebenen Fahrzeugen werden in der Arbeit auch lediglich Batteriesysteme für diese Art von Fahrzeugen behandelt. Eine weitere Betrachtung von bspw. Hybrid- oder Plug-in-Hybridfahrzeugen findet nicht statt.
Zu Beginn werden zunächst die wichtigsten Anforderungen an eine Batterie für die Verwendung in Elektroautos zusammengefasst. Darauf aufbauend werden auf Basis dieser Anforderungen die relevantesten Batterietypen miteinander verglichen. Im Anschluss wird der grundlegende Aufbau einer solchen Batterie erläutert. Danach erfolgt die Vorstellung der wichtigsten Rohstoffe im Hinblick auf die Herkunft, die sozialen und ökologischen Probleme bei der Gewinnung sowie eventuelle Probleme beim Recycling. Nach der Beschreibung des rechtlichen Rahmens erfolgt ein Überblick über die vier Ebenen des Recyclings im Falle von Lithium-Ionen-Batterien und den aktuellen Stand in der Bundesrepublik Deutschland inklusive einzelner Beispiele. Ferner werden verschiedene Recyclingmöglichkeiten näher thematisiert. Darüber hinaus wird der grundlegende und aktuelle Prozess des Recyclings von Altfahrzeugen näher beschrieben. Zum Abschluss der Arbeit werden eventuell in Zukunft auf-kommende Batterietypen und deren Möglichkeit zum Recycling und Recyclingverfahren besprochen, die in Zukunft Anwendung finden können.
Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
1. Einführung
1.1 Aktueller Stand und Problemstellung
1.2 Zielsetzung
2. Grundlegendes
2.1 Anforderungen an Batterien für Elektrofahrzeuge
2.2 Vorstellung verschiedener Batteriesysteme
2.2.1 Bleibatterien
2.2.2 Nickel-Cadmium-Akkumulatoren
2.2.3 Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren
2.2.4 Natrium-Nickelchlorid-Batterien
2.2.5 Lithium-Ionen-Batterien
2.2.6 Vergleich der Batteriesysteme
3. Aufbau, Funktion und Zusammensetzung von Lithium-Ionen-Batterien
4. Relevante Rohstoffe von Lithium-Ionen-Batterien
4.1 Lithium
4.2 Kobalt
4.3 Mangan
4.4 Nickel
4.5 Graphit
4.6 Kupfer und Aluminium
5. Rechtliche Rahmenbedingungen in Deutschland
5.1 Kreislaufwirtschaftsgesetz (KrWG)
5.2 Batteriegesetz (BattG)
5.3 Altfahrzeug-Verordnung (AltfahrzeugV)
5.4 Gefahrgutverordnung Straße, Eisenbahn und Binnenschifffahrt (GGVSEB)
6. Zentrale Recyclingoptionen für Batterien
6.1 Wiederinstandsetzung für Wiederverwendung
6.2 Aufbereitung für die Weiterverwendung
6.2.1 Weiterverwendungsszenarien
6.2.2 Aktuelle Beispiele
6.3 Wieder- und Weiterverwertung
6.3.1 Zentrale Schritte innerhalb der Behandlung
6.3.2 „Accurec“
6.3.3 „Lithorec II“
6.3.4 Aktuelle Situation in Deutschland und Europa
7. Verwertung von Altfahrzeugen
7.1 Verwertung von Altfahrzeugen in Deutschland
7.2 Verwertungsprozess von Altfahrzeugen
7.3 Vergleich Verwertung von Verbrennern und Elektrofahrzeugen
7.4 Recycling in der Zukunft
8. Fazit
Literaturverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
ABBILDUNG 1: AUFBAU EINER LITHIUM-IONEN-ZELLE
ABBILDUNG 2: VERGLEICH UNTERSCHIEDLICHER KATHODENMATERIALIEN
ABBILDUNG 3: LÄNDER MIT DEN GRÖßTEN LITHIUMRESERVEN IM JAHR
ABBILDUNG 4:ENTWICKLUNG DES LITHIUMCARBONATPREISES BASIEREND AUF HISTORISCHEN/AKTUELLEN DATEN ZWISCHEN 2002 UND 2022 SOWIE EINE AUF BASIS UNTERSCHIEDLICHER QUELLEN PROGNOSTIZIERTE PREISSPANNE BIS 2030 IN USD PRO TONNE LITHIUMCARBONAT
ABBILDUNG 5: WELTWEITE FÖRDERMENGE VON KOBALT
ABBILDUNG 6: ALDI FILIALE GÜTERSLOH
ABBILDUNG 7: BMW-SPEICHERFARM VON INNEN
ABBILDUNG 8: STRUKTUR EINES RECYCLINGNETZWERKES
ABBILDUNG 9: KOMBINATIONEN VERSCHIEDENER RECYCLINGMÖGLICHKEITEN UND DEN DARAUS ZU GEWINNENDEN STOFFEN
ABBILDUNG 10: LIB-RECYCLING-STANDORTE IN DEUTSCHLAND
ABBILDUNG 11: NACHFRAGEENTWICKLUNG IN EUROPA
ABBILDUNG 12: PROGNOSTIZIERTE RÜCKLAUFMENGE VON LIB IN EU
ABBILDUNG 13: VERWERTUNG DEMONTIERTER WERKSTOFFE AUS ALTFAHRZEUGEN IN DEUTSCHLAND
ABBILDUNG 14: INPUT IN SCHREDDERANLAGEN IN DEUTSCHLAND
ABBILDUNG 15: PROZENTUALE ZUSAMMENSETZUNG SCHREDDERLEICHTFRAKTION
ABBILDUNG 16: ZUSAMMENSETZUNG SCHREDDERSANDGRUPPE
Abkürzungsverzeichnis
ADR Accord européen relatif au transport international des marchandises Dangereuses par Route
AltfahrzeugV Altfahrzeug-Verordnung
ANL Argonne National Laboratory
BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung
BattG Siehe, Batteriegesetz
BMS Batteriemanagementsystem
BoL Begin of Life
EoL End of Life
EU Europäische Union
GGVSEB Gefahrgutverordnung Straße, Eisenbahn und Binnenschifffahrt
ISI Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung
KrWG Kreislaufwirtschaftsgesetz
LFMP Lithium-Eisen-Manganphosphat
LFP Lithium-Eisenphosphat
LIZ Lithium-Ionen-Zellen
LMO Lithium-Manganoxid
LNO Lithium-Nickel-Oxid
LTO Lithiumtitanat
NCA Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid
NMC Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid
OEM Original Equipment Manufacturer
PKW Personenkraftwagen
USABC United States Advanced Battery Consortium
ZEBRA-Batterien Natrium-Nickelchlorid-Batterien
1. Einführung
1.1 Aktueller Stand und Problemstellung
Die Zukunft des Automobils scheint weitgehend klar zu sein. Während die klassischen Formen des Verbrennungsmotors in Form von Otto- und Dieselmotoren zum Antrieb eines Autos ausgedient zu haben scheinen, wachsen die urbanen Mobilitätsleistungen weltweit an. Zwischen 2010 und 2050 wird dabei ein Anstieg von 25,8 Billionen auf bis zu 48,4 Billionen Personenkilometer prognostiziert.1 Elektrisch angetriebene Fahrzeuge werden als Lösung zahlreicher Herausforderungen der Gegenwart und Zukunft gesehen. Gesundheitsprobleme, die durch lokale Stickoxid- und Feinstaubbelastung entstehen, sowie Lärmemissionen -durch die sich im Jahr 2018 rund 75 % der Bundesbürger belästigt fühlten- sind Probleme, die sich durch elektrisch angetriebene Fahrzeuge schon jetzt vollständig oder zumindest größtenteils beseitigen lassen könnten.2 Darüber hinaus müssen die Emissionen im Verkehrssektor bis 2030 um etwa 40 % reduziert werden, um die von der Pariser Klimakonferenz vereinbarten Klimaziele erreichen zu können und die menschengemachte Klimakrise zu stoppen. Für etwa 60% des im Verkehrssektor ausgestoßenen Kohlenstoffdioxids sind Benzin- und Diesel-Personenkraftwagen direkt verantwortlich.3
Unter anderem aus den oben genannten Gründen stellte die Bundesregierung im Jahr 2009 den sogenannten „Nationalen Entwicklungsplan Elektromobilität“ vor. Eines der Hauptziele bestand darin, bis zum Jahr 2020 insgesamt eine Million elektrisch angetriebene Fahrzeuge auf die Straßen der Bundesrepublik Deutschland zu bringen. Durch den geplanten hohen Marktanteil dieser Fahrzeuge galt es, ebenfalls Verfahren und Rücknahmesysteme für ein kontrolliertes und umfassendes Recycling der Traktionsbatterien zu entwickeln.4
Betrachtet man die Anzahl der in Deutschland zugelassenen Personenkraftwagen (PKW) mit elektrischem Antrieb (rein elektrisch und Plug-in-Hybrid), wurde das Ziel erst im Laufe des Jahres 2021 erreicht. Demnach waren am 01.01.2022 rund 1 200 000 elektrisch betriebene Fahrzeuge zugelassen. Davon fahren allerdings lediglich 618 500 Fahrzeuge mit rein elektrischem Antrieb.5 Das Ziel wurde zwar mit einem Jahr Verspätung erreicht, jedoch ausschließlich aufgrund der Anzahl der Neuzulassungen in den Jahren 2020 und 2021.6 Die neue Bundesregierung hat sich als Ziel gesetzt, dass bis zum Jahr 2030 insgesamt 15 Millionen vollelektrisch betriebene PKW in Deutschland zugelassen sind. Ferner soll der Ausbau der Ladeinfrastruktur sowie die Ansiedlung von Batteriezellenproduktion und Recyclingstandorten massiv unterstützt werden.7
Ein Hauptaspekt zur Erreichung der angestrebten Ziele ist die Lithium-Ionen-Batterietechnolo- gie. Aufgrund ihrer vergleichsweise hohen Energiedichte und ihrer großen Menge an Zyklen, die sowohl eine hohe Reichweite als auch das hundertfache Aufladen ohne nennenswerten Verlust an Kapazität ermöglichen, ist die Lithium-Ionen Technologie anderen Formen von elektrischen Speichersystemen deutlich überlegen. Trotz der zahlreichen Vorteile haben Lithium-Ionen-Bat- terien -wie auch andere Batterietypen- mit einem über Zeit entstehenden Leistungsverlust zu kämpfen. Dieser durch chemische Alterungsprozesse erfolgende Leistungsverlust wird zu einem Wechsel der Batterie nach circa 150 000 km bzw. etwa 10 Jahren führen.8 Die Batterie hat nach diesem Zeitraum noch etwa 80 % Kapazität. Bei den geplanten 15 Millionen rein elektrisch betriebenen Fahrzeugen im Jahre 2030 würde das bei einem durchschnittlichen Gewicht von 500 kg pro Fahrzeug zu etwa 7,5 Millionen Tonnen Altbatterien führen. In Anbetracht dieser Mengen müssen Politik und Privatwirtschaft bereits jetzt Konzepte und klare Umsetzungspläne beschreiben, um eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft für Batterien sicherzustellen. Die in Deutschland zugrundeliegenden rechtlichen Vorgaben werden im Wesentlichen durch das Batteriegesetz (BattG), das Kreislaufwirtschaftsgesetz (KrWG), die Altfahrzeug-Verordnung (AltfahrzeugV) und die Gefahrgutverordnung Straße, Eisenbahn und Binnenschifffahrt (GGVSEB) bestimmt.
Die für die Herstellung einer E-Auto Batterie relevanten Rohstoffe sind Kobalt, Lithium, Nickel, Mangan, Kupfer, Aluminium und Graphit. Das Recycling alter und ausgetauschter Batterien ist nicht nur aus wirtschaftlicher, sondern auch aus ökologischer Sicht notwendig. Zwar übersteigen die weltweiten Vorkommen der relevanten Rohstoffe deutlich den prognostizierten Bedarf, wie im Falle von Kobalt oder Lithium konzentrieren sich die Lagerstätten jedoch auf einige wenige Staaten. Um die angestrebte Unabhängigkeit von fossilen Energieträgern wie bspw. Öl zu verringern, ist es deshalb ratsam, sich nicht in eine andere Abhängigkeit führen zu lassen. Ferner lassen sich aufgrund von erhöhter Nachfrage oder Lieferengpässen gestiegene Rohstoffpreise besser kompensieren. Des Weiteren können die sozialen und ökologischen Auswirkungen, die durch die Rohstoffgewinnung anfallen, stark abgemildert werden. Ebenso kann zusätzlicher Druck auf die Staaten und Unternehmen erzeugt werden, die Reduzierung dieser Auswirkungen stärker in den Fokus zu nehmen.9
Ein weiteres Problem liegt in dem Entwicklungsstand der Recyclingverfahren für Lithium-Ionen- Batterien. Zwar hat sich das Recycling von kleinen Batterien in Europa etabliert, dies beinhaltet jedoch lediglich bspw. Handyakkus oder Akkus aus Laptops. Batterien aus Elektroautos sind jedoch bedeutend größer, schwerer und enthalten bedeutend mehr Energie. Zwar ist ein Recycling technisch grundsätzlich realisierbar, allerdings besteht noch weiterer Optimierungsbedarf hinsichtlich des Energiebedarfes und der Umsetzbarkeit für den Massenbetrieb. Es gibt bisher zahlreiche Unternehmen, die sich auf verschiedene Verfahren zum Recycling solcher Batterien spezialisiert haben. Diese betreiben aktuell jedoch nur wenige Anlagen, welche die nötigen Kapazitäten für ein Massenrecycling liefern.10
1.2 Zielsetzung
Vor diesem Hintergrund besteht das Ziel dieser Arbeit in der Aufzeigung von Möglichkeiten und der Dokumentation des aktuellen sowie des zukünftigen Standes der Recyclingmöglichkeiten in Deutschland und Europa, mit denen sich die enormen Herausforderungen einer kompletten Elektrifizierung des Verkehrs in Bezug auf die Akkumulatoren aus Elektroautos vollziehen lassen. Hierbei soll insbesondere die Batterie des Elektroautos am Ende ihrer Nutzungszeit thematisiert werden. Aufgrund der von der Bundesregierung angestrebten Ziele von bis zu 15 Millionen rein elektrisch betriebenen Fahrzeugen werden in der folgenden Arbeit auch lediglich Batteriesysteme für diese Art von Fahrzeugen behandelt. Eine weitere Betrachtung von bspw. Hybrid- oder Plug-in-Hybridfahrzeugen findet nicht statt. Zu Beginn werden zunächst die wichtigsten Anforderungen an eine Batterie für die Verwendung in Elektroautos zusammengefasst. Darauf aufbauend werden auf Basis dieser Anforderungen die relevantesten Batterietypen miteinander verglichen. Im Anschluss wird der grundlegende Aufbau einer solchen Batterie erläutert. Danach erfolgt die Vorstellung der wichtigsten Rohstoffe im Hinblick auf die Herkunft, die sozialen und ökologischen Probleme bei der Gewinnung sowie eventuelle Probleme beim Recycling. Nach der Beschreibung des rechtlichen Rahmens erfolgt ein Überblick über die vier Ebenen des Recyclings im Falle von Lithium-Ionen-Batterien und den aktuellen Stand in der Bundesrepublik Deutschland inklusive einzelner Beispiele. Ferner werden verschiedene Recyclingmöglichkeiten näher thematisiert. Darüber hinaus wird der grundlegende und aktuelle Prozess des Recyclings von
Altfahrzeugen näher beschrieben. Zum Abschluss der Arbeit werden eventuell in Zukunft aufkommende Batterietypen und deren Möglichkeit zum Recycling und Recyclingverfahren besprochen, die in Zukunft Anwendung finden können. Ein kritisches Fazit der zusammengestellten Ergebnisse bildet den Schlusspunkt der Arbeit.
2. Grundlegendes
Elektrochemische Speichersysteme bieten einer Vielzahl von Geräten eine mobile Energieversorgung. Dabei geht es von Kleingeräten wie Smartphones oder Kleinwerkzeugen über Elektroautos bis zu der stationären Speicherung von Energie aus erneuerbaren Energien. Die Vielzahl der Anwendungsmöglichkeiten wird durch eine ebenfalls hohe Anzahl an verfügbaren Systemen zur Energiespeicherung ermöglicht. Grundsätzlich unterscheidet man bei elektrischen Speichersystemen zwischen primären und sekundären Systemen. Während primäre Zellen bzw. Systeme nicht wiederaufladbar sind, können sekundäre Zellen bzw. Systeme wiederaufgeladen werden. Das stellt auch den Unterschied zwischen Batterie und Akku dar. Batterien sind primäre Systeme und ein Akku bzw. Akkumulatoren sind sekundäre Systeme. Aufgrund des weit verbreiteten Gebrauchs beider Wörter als Synonyme wird innerhalb dieser Arbeit die Batterie ebenfalls als sekundäres System betrachtet. Ferner sind primäre Systeme für den Einsatz in Elektroautos gänzlich ungeeignet, weil die Wiederaufladbarkeit eine Grundeigenschaft für den wirtschaftlichen Betrieb darstellt.11
2.1 Anforderungen an Batterien für Elektrofahrzeuge
Für die Auswahl des entsprechenden Batterietyps ist es zunächst erforderlich, die grundsätzlichen Anforderungen für eine Nutzung innerhalb von Elektrofahrzeugen aufzuzeigen. Die Erforderlichkeit ist insbesondere vor dem Hintergrund gegeben, dass die Optimierung einer Batterieeigenschaft in den meisten Fällen eine andere Eigenschaft verschlechtert. Zu den grundsätzlichen Anforderungen an eine Batterie zählen Sicherheit, Lebensdauer, Umweltverträglichkeit, Leistungsdichte und die Energiedichte.12 Des Weiteren müssen die Batterien bei allen Witterungsverhältnissen zuverlässig einsetzbar sein. Dafür sind eine geringe Selbstentladung, weitgehend gleichbleibende Leistung und die Einsatzbereitschaft bei Temperaturschwankungen notwendig.13
Energiedichte
Weil der Energieverbrauch einer Batterie zu großen Teilen von ihrem Gewicht abhängig ist und sie einen substanziellen Anteil am Fahrzeuggewicht ausmacht, ist eine Betrachtung der Energiedichte unerlässlich. Die Energiedichte gibt an, wie viel Energie pro Masse gespeichert ist (Wh/kg). Die Energiedichte multipliziert mit der Masse der Batterie ergibt den Energieinhalt der Batterie und definiert damit u.a. die theoretische Reichweite des Elektroautos. Die Größe der Energiedichte ist deshalb von Belang, weil eine Erhöhung der Fahrzeugreichweite nur mit einem gleichzeitig höher werdenden Gewicht der Batterie einhergeht. Eine hohe Energiedichte ist deshalb anzustreben.14
Leistungsdichte
Die Leistungsdichte gibt an, wie viel Leistung pro Masseeinheit abgegeben und aufgenommen werden kann. Die Leistungsdichte wird in W/kg angegeben. Diese Größe ist vor allem mit Blick auf das Beschleunigungs- und Ladeverhalten relevant. Je höher die Leistungsdichte ist, desto schneller kann beschleunigt bzw. geladen werden. Problematisch ist, dass nach bisherigen technischen Gegebenheiten eine Erhöhung der Leistungsdichte immer eine Reduzierung der Energiedichte zur Folge hat. Eine hohe Leistungsdichte ist vor allem bei Hybridfahrzeugen nötig. Da dort die Batterie grundsätzlich eher zum Beschleunigen benötigt wird, ist eine hohe Leistungs- dichte anzustreben. Rein elektrisch betriebene Fahrzeuge benötigen zwar auch eine entsprechend hohe Leistung, allerdings gibt es hier keinen zweiten Motor, der sich später dazuschaltet, sodass auf ein entsprechendes Verhältnis zwischen Energie und Leistung zu achten ist.15
Lebensdauer
Eine lange Lebensdauer der Batterie ist wichtig, weil die Fahrzeugnutzung ohne größere Probleme bis zu 20 Jahre betragen kann. Die Lebensdauer der meisten elektrischen Speichersysteme ist jedoch weitaus kürzer. Grundsätzlich beschreibt die Lebensdauer einer Batterie die Zeitspanne ab dem Auslieferungszeitpunkt (Begin of Life, BoL) bis zu dem Zeitpunkt, an dem der zuvor definierte Leistungsparameter unterschritten wird (End of Life, EoL). Die Lebensdauer gibt also entsprechend Auskunft darüber, wie lange die Batterie für den bestimmten Verwendungszweck mit verschmerzbaren Leistungseinbußen eingesetzt werden kann. Das EoL bedeutet also nicht, dass die Batterie nicht mehr funktioniert, sondern lediglich, dass ein oder mehrere Parameter unter- oder überschritten worden sind. In den meisten Fällen ist dies die Kapazität, also die Menge an Energie, die die Batterie noch speichern kann. Im Falle von aktuellen ElektroautoBatterien ist dies meistens bei einem Wert von 80% der ursprünglichen Kapazität der Fall. Die Lebensdauer einer Batterie wird durch viele verschiedene Faktoren bedingt. Sie ist nicht nur von der Art der Anwendung, sondern auch maßgeblich vom Batterietyp, Ladungszustand, Umgebungstemperatur, Zyklenzahl, Entladetiefe und der Zeit (Unabhängig von der Nutzung) abhängig.16 Als grundsätzliches Maß für die Lebensdauer einer Batterie gilt zum einen die Zyklenlebensdauer, welche durch die Anzahl an Ent- und Aufladevorgängen definiert wird, zum anderen durch die kalendarische Lebensdauer. Die kalendarische Lebensdauer bezieht sich auf die Zeit innerhalb der die Batterie nicht aktiv genutzt wird bzw. sich im Lagerzustand befindet und nur dadurch an Kapazität verliert. Diese Art der Lebensdauer wird im Wesentlichen durch chemische Wechselvorgänge und Zersetzungsvorgänge bestimmt.17
Sicherheit
Eine Traktionsbatterie muss für eine Vielzahl von elektrischen und mechanischen Belastungsszenarien ausgelegt sein. Durch einen Unfall oder sonstige Ereignisse kann es sonst zu einer Gefahr für Mensch und Umwelt kommen. Neben der Freisetzung von gefährlichen Stoffen kann ein Brand oder eine Explosion der Batterie schnell das Leben der sich in dem Fahrzeug befindenden Personen gefährden. Neben der Integration eines Batteriemanagementsystems und anderen Sicherheitsvorrichtungen kann auch schon die Materialauswahl eine große Rolle bei der Sicherheit der Batterie einnehmen.18
Umweltverträglichkeit
Neben den genannten Bereichen ist eine möglichst hohe Umweltverträglichkeit ein zu berücksichtigender Aspekt bei der Auswahl des entsprechenden Batterietyps, da die Umwelteinwirkungen der Herstellung, des Transports, der Nutzung und der letztendlichen Entsorgung erheblich die ökologische Gesamtbilanz des Fahrzeugs beeinflussen. Insbesondere vor dem Hintergrund knapper Rohstoffe und Rohstoffmonopole einzelner Länder ist die Recyclingfähigkeit be- deutsam.19
2.2 Vorstellung verschiedener Batteriesysteme
Im Folgenden werden wesentliche Batterietypen sekundärer Speichersysteme und die verschiedenen für die Nutzung eines Elektrofahrzeuges notwendigen Parameter vorgestellt. Auf die Vorstellung primärer Systeme wird aufgrund des nicht möglichen Aufladens verzichtet. Des Weiteren werden nur Systeme vorgestellt, deren Parameter eine Nutzung in Elektrofahrzeugen erlauben können.
2.2.1 Bleibatterien
Die Bleibatterie ist die heute älteste Form eines wiederaufladbaren elektrischen Speichersystems, welches seinen Anfang im 19. Jahrhundert hatte. Zuerst wurde sie in Elektroautos verbaut, später fand sie ihren Weg als Starterbatterie für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor. Der Bleiakku verwendet als Aktivmaterialien Blei und Bleioxid sowie wässrige Schwefelsäure als Elektrolyt. Diese Art der Batterien ist durch eine hohe Zellspannung von 2 V, niedrige Herstellungskosten und eine gute Recycelbarkeit gekennzeichnet. Aufgrund der niedrigen spezifischen Energie (30-40 Wh/Kg) und Leistung, der hohen Selbstentladung und der kurzen Lebensdauer ist eine Nutzung für rein elektrisch betriebene Fahrzeuge schwer umsetzbar.20
2.2.2 Nickel-Cadmium-Akkumulatoren
Diese Art der Batterien wurde um 1900 entwickelt und enthält Nickeloxidhydroxid als Katho- denmaterial und 20-prozentige Kalilauge als Elektrolyt. Die Zellspannung beträgt 1,2 V und es kann eine spezifische Energie von 60 Wh/kg erreicht werden. Des Weiteren ist die Nickel-Cad- mium Technik durch eine hohe Strombelastbarkeit und ein zuverlässiges Tieftemperaturverhalten bei bis zu -40 °C gekennzeichnet. Aufgrund der Giftigkeit von Cadmium ist die Verwendung in der europäischen Union (EU) nur noch in medizinischen Bereichen, sicherheitsrelevanten Gebieten und in Elektrofahrzeugen erlaubt.21 Aufgrund der hohen Selbstentladungsrate, welche durch Cadmiumnadeln und Dendriten entsteht, die durch den Separator stechen, ist eine dauerhafte Anwendung in Elektrofahrzeugen schwer zu bewerkstelligen.22
2.2.3 Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren
Nickel-Metallhydrid-Batterien wurden 1990 kommerzialisiert und stellen die Weiterentwicklung der Nickel-Cadmium-Akkumulatoren dar. Das giftige Cadmium wurde durch eine Wasserstoffspeicherlegierung aus Nickel und seltenen Erden ersetzt. Seit der Einführung konnte die spezifische Energie auf bis zu 80 Wh/kg verdreifacht werden. Beide Speichersysteme können durch einen internen chemischen Überladungs- und Entladungsschutz ohne aufwändige Elektronik in Form von Akkupacks zusammengeschlossen werden. Der heute größte Anteil von Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren wird in Hybridfahrzeugen verwendet.23 Im Vergleich zu der Vorgängerversion sind diese jedoch weniger belastbar, haben keine so tiefe Temperaturtoleranz, sind weniger robust gegenüber Überladung und weisen einen vergleichsweise niedrigen Wirkungsgrad aus.24
2.2.4 Natrium-Nickelchlorid-Batterien
Die Natrium-Nickelchlorid-Batterien (ZEBRA-Batterien) gelten als eine Weiterentwicklung der Natrium-Schwefel Batterien und sind aufgrund einer höheren Toleranz gegenüber Überladung und Überentladung als sicherer einzustufen. Die spezifische Energie dieser Batterieart beträgt circa 120 Wh/kg bei einer nominalen Spannung von 2,3-2,6 V.25 Diese Art der HochtemperaturBatterie arbeitet bei etwa 300 °C und besitzt eine flüssige Natriumelektrode und eine feste Nickelchlorid-Elektrode. Die ZEBRA-Batterie gilt als zuverlässig einsetzbar und erreicht mit 2500 bis 5000 Ladezyklen auch eine hohe Lebensdauer. Die Kosten für Rohstoffe und Produktion sind vergleichsweise gering, allerdings sind sie trotzdem höher als bei Natrium-Schwefel-Batterien. Außerdem wurde bei ZÉBRA-Batterien eine gute Recycelbarkeit nachgewiesen. Einzig die hohe thermische Selbstentladung von bis zu 5 % am Tag ist zu bemängeln, da dies zu einem weitaus geringeren Wirkungsgrad führt und zu Einbußen bei Reichweiten führt. Bisher wurden schon einzelne Serien von Elektrofahrzeugen mit dieser Batterieart betrieben.26
2.2.5 Lithium-Ionen-Batterien
Die heutige Form der Lithium-Ionen-Technologie ist die am weitesten verbreitete Batterieform bei der Verwendung in Elektrofahrzeugen. Als negatives Elektrodenmaterial dient Kohlenstoff. Verschiedene Metalloxide werden als positives Elektrodenmaterial genutzt. Die Elektroden befinden sich in den meisten Fällen in einer Lösung eines Lithiumsalzes in einem organischen Lösungsmittel. Lithium-Ionen-Batterien arbeiten heutzutage mit 3,6 V, erreichen Energiedichten von bis zu 220 Wh/kg und eine hohe Leistungsdichte von bis zu 1500 W/kg. Ferner sind über 1000 Ladezyklen möglich. Es kann eine geringe Selbstentladung von 1 bis 5 % im Monat erreicht werden. Auch der Einsatzbereich bei Temperaturen von -20 bis 60 °C ist für die meisten Regionen auf der Erde ausreichend. Eine einheitliche Betrachtung der Leistungsparameter von Li- thium-Ionen-Batterien ist allerdings nicht ohne weiteres möglich. Aufgrund von unterschiedlichen Varianten hinsichtlich der Aktivmaterialen und der Elektrolyte können jeweils verschiedene Leistungsanforderungen besser oder schlechter abgedeckt werden. Beispielsweise erreicht eine Lithium-Kobaltdioxid-Batterie in Bezug auf Energie und Leistung gute bis sehr gute Werte. Wohingegen die Punkte Sicherheit, Kosten und Umweltverträglichkeit kritisch zu bewerten sind. Im Vergleich dazu sind die Materialien für eine Lithium-Eisenphosphat-Batterie günstig und ökologisch unbedenklich. Allerdings lassen sich mit dieser Variante nur geringe Energie- und Leistungswerte erreichen.27 Um Überladung und weitere Probleme durch Ladevorgänge zu verhindern, ist mit konstantem Strom zu laden und ein Batteriemanagementsystem (BMS) notwendig, um die Elektronik zu schützen und Sicherheit zu gewährleisten.28
2.2.6 Vergleich der Batteriesysteme
Nicht ohne Grund ist die Lithium-Ionen-Technik die heutzutage dominierende Form in vollelektrischen Fahrzeugen. Vergleicht man die verschiedenen Batterietypen (siehe Tabelle 1) hinsichtlich der grundsätzlichen Anforderungen für den Betrieb in Elektrofahrzeugen, fällt auf, dass die Lithium-Ionen-Technologie hinsichtlich Energie und Leistungsdichte den anderen Systemen weit überlegen ist. Ferner ist auch die äußerst geringe Selbstentladung ein entscheidender Vorteil gegenüber anderen Batterietypen. Darüber hinaus sind ebenfalls der hohe Wirkungsgrad und die konstante Spannung während des Entladevorgangs ein Vorteil der Lithium-Ionen-Tech- nologie. Zur Veranschaulichung der essentiellen Parameter soll die Tabelle 1 einen Überblick darstellen, wobei auf eine komplexe Darstellung der Unterschiede der Batterietypen verzichtet wird.
Tabelle 1: Vergleich Batterietypen[[29]]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Aktuell wird weiterhin an der Lithium-Ionen-Technologie geforscht. Das “United States Advanced Battery Consortium” (USABC) und das Argonne National Laboratory (ANL) sehen eine weitreichende Verbesserung zahlreicher Batterieparameter voraus. Das ANL sagte bereits eine Steigerung der Energiedichte bis zum Jahr 2020 auf bis 200 Wh/kg voraus. Für das Jahr 2030 wird eine Erhöhung der Energiedichte auf bis zu 300 Wh/kg erwartet.29 30
Mit dem Ziel weitaus höhere Energiedichten zu erreichen, werden aktuell verschiedene andere Arten von Batteriesystemen erforscht. Die erfolgversprechendsten Varianten sind dabei Metall- Schwefel-Batterien, Metall-Luft-Batterien oder Feststoffbatterien. Aufgrund der sehr hohen theoretisch erreichbaren Energie von Lithium wird intensiv an Batterietypen auf Basis von Lithium geforscht. Lithium-Schwefel-Batterien können eine theoretisch mögliche Energie von bis zu 2613 Wh/kg erreichen. Aufgrund der beschränkten Lebensdauer ist eine Nutzung in Elektrofahrzeugen aktuell ungeeignet. Lithium-Luft-Batterien können eine theoretisch mögliche Energie von bis zu 5220 Wh/kg erreichen. Da die Erforschung noch am Anfang steht und mit einer praktischen Nutzung nicht vor den 2030er Jahren zu rechnen ist, bildet die Lithium-Ionen-Batterie den aktuellen Stand der Technik ab. Ferner wird diese Art der Batterie stetig weiterentwickelt, wodurch noch nicht klar ist, welche Art der Batterien in 15 Jahren zum Einsatz kommen wird.31
3. Aufbau, Funktion und Zusammensetzung von Lithium-Ionen- Batterien
Grundsätzlich kann eine Lithium-Ionen-Batterie aus einer oder mehreren Lithium-Ionen-Zellen (LIZ) bestehen. Abbildung 1 zeigt den grundlegenden Aufbau einer LIZ. Eine LIZ besteht im Wesentlichen aus zwei unterschiedlichen Elektroden: der negativ geladenen Anode und der positiv geladenen Katode. Des Weiteren setzt sich die LIZ aus einem Elektrolyten, welcher für die Io- nenleitung zwischen den Elektroden zuständig ist, und einem Separator zusammen, der die Elektroden physisch und elektronisch voneinander trennt. Lediglich die Ionen können den Separator passieren, nicht jedoch die Elektroden. Das Anodenmaterial wird zusätzlich auf einem Kollektor angebracht (hauptsächlich auf Kupferfolie). Dieser dient dazu, die während des Ladevorgangs aus der Kathode wandernden Lithium-Ionen aufzunehmen. Der Kollektor auf der Seite der Kathode besteht zumeist aus einer Aluminiumfolie.32
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 1: Aufbau einer Lithium-Ionen-Zelle (Rahimzei, Sann, & Vogel, 2015, S. 3)
Durch verschiedene Konstruktionsweisen, Materialien und Leistungsparameter lässt sich eine große Anzahl an verschiedenen Lithium-Ionen-Zellen herstellen. Eine grobe Differenzierung kann durch die verwendeten Kathoden- und Anodenmaterialien und nach der Zellform getroffen werden. Bei den Kathodenmaterialien lassen sich viele unterschiedliche Kombinationen an Materialien verwenden. Das jeweils verwendete Kürzel des zugrundeliegenden Kathodenmaterials wird zumeist als Differenzierungsmerkmal der entsprechenden Variante genutzt. So steht das in Abbildung 1 verwendete Kathodenmaterial LiMO 2 für Lithium-Metall-Dioxid. Die Auswahl der entsprechenden Kathodenmaterialien beeinflusst die wesentlichen Batterieparameter wie z.B. Lebensdauer, die spezifische Leistung und Energie, die Sicherheit und die Schnellladbarkeit. Ferner bestimmen diese Materialien im Wesentlichen die zu erwartenden Kosten.33
Die grundlegenden Verbindungen, welche sich aktuell in Elektrofahrzeugen als Kathodenmate- rialien einsetzen lassen, sind Lithium-Manganoxid (LMO), Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid (NCA), Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid (NMC), Lithium-Nickel-Oxid (LNO), Lithium-Eisen- phosphat (LFP) sowie das unter Zufügung von Mangan entstehende Lithium-Eisen-Manganphos- phat (LFMP).34 Alle vorliegenden Verbindungen haben teilweise stark unterschiedliche Eigenschaften. Abbildung 2 zeigt dabei die wesentlichen Unterschiede der Materialien NCA, NMC, LNO und LFP in Form eines Netzdiagramms. Verglichen wurden die Materialien hierbei hinsichtlich Sicherheit, Energie, Leistung, Lebensdauer, Kosten und Schnelladefähigkeit. Dieser stark vereinfachte Vergleich zeigt, dass die NMC-Verbindung der LMO-Verbindung in allen Bereichen mindestens gleichwertig ist und eher besser abschneidet. NCA weist im Vergleich zu allen anderen Verbindungen die stärksten Leistungs- und Energiedaten aus, ist aber in Bezug auf Sicherheit und wegen der Verwendung der teuren Rohstoffe Nickel und Kobalt nicht für den Massenmarkt tauglich. Für die Verwendung in reinen Elektrofahrzeugen gelten die Kathodenmaterialien NMC und LFP als die vielversprechendsten Varianten. Durch die Hinzugabe von Mangan (LFMP) lassen sich die Werte der LFP-Verbindung hinsichtlich Leistung und Energie nochmal um 20 % verbes- sern.35
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2: Vergleich unterschiedlicher Kathodenmaterialien(Hoyer, 2015, S. 23)
Auf Seiten der Anode kommen ebenfalls verschiedene Materialien infrage, welche aktuell auch schon eingesetzt werden. Auch hier zeigen verschiedene Materialien unterschiedliche Eigenschaften hinsichtlich Lebensdauer, Energie, Leistung, und Sicherheit. Die wichtigsten Vertreter sind aktuell Graphit in natürlicher und synthetischer Form, amorpher Kohlenstoff und Lithi- umtitanat (LTO). Für die Anwendung in rein elektrisch fahrenden Fahrzeugen eignen sich am ehesten die synthetischen Graphite. Im Gegensatz zu den anderen Materialien bieten diese das ausgeglichenste Profil hinsichtlich Energie, Leistung, Sicherheit und Lebensdauer. In Zukunft könnten sich je nach Entwicklung noch Komposite, Siliziumlegierungen, Nicht-Siliziumlegierungen sowie metallisches Lithium als Anodenmaterialien etablieren.36
Eine weitere Unterscheidungsform ist die Bauweise. Hierbei wird grundsätzlich zwischen der zylindrischen und der prismatischen Variante unterschieden. Zwar bietet die zylindrische Bauweise eine höhere Stabilität als die prismatische, jedoch entstehen bei der erstgenannten Version nicht nutzbare Hohlräume. Trotz der niedrigeren Stabilität und der leicht höheren Produktionskosten bildet die prismatische Bauweise den Standard bei der Verwendung in Elektrofahr- zeugen.37
Aufgrund der Anforderungen an ein Elektrofahrzeug reicht eine einzelne Lithium-Ionen-Zelle bei weitem nicht aus. Von daher werden mehrere Zellen zu einem Modul zusammengeschlossen, um dadurch eine höhere Spannung zu erreichen. Ferner werden mehrere Module zu einem Pack verbunden. Damit ein solches Batteriepack auch einsatzbereit ist, werden noch weitere Komponenten wie das Batterie-Management-System und das Gehäuse benötigt. Das BMS steuert und überwacht sämtliche Batteriefunktionen wie z.B. das Be- und Entladen, die Temperatur, die Spannung und die Stromstärke. Es steuert ebenso bei unerwünschten Verhaltensweisen einzelner Zellen gegen. Das Gehäuse schützt das Batteriepack vor mechanischen Erschütterungen oder schädlichen Umwelteinflüssen wie z.B. Wasser oder Staub. Das Batteriepack, das BMS und das Gehäuse bilden zusammen das Batteriesystem.38
4. Relevante Rohstoffe von Lithium-Ionen-Batterien
Um die ambitionierten Ziele der Bundesregierung zu erreichen, ist vor allem die gesellschaftliche Akzeptanz innerhalb der Bevölkerung notwendig. Diese Akzeptanz beruht zum einen auf der Konkurrenzfähigkeit zu Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren hinsichtlich Leistung, Reichweite und Lademöglichkeiten zum anderen auf der Option, den Klimawandel und seine Auswirkungen mindern zu können. Ferner spielt ebenfalls die Abhängigkeit von Ölimporten und deren Herkunftsländern eine Rolle.39 Die derzeitige Situation hinsichtlich der Versorgung mit Öl und Gas zeigt, welche Abhängigkeiten entstehen können, wenn Rohstoffimporte lediglich von wenigen oder gar einzelnen Exporteuren ausgehen. Weitere entscheidende Fragestellungen sind zum einen die Abbaubedingungen, denen die Arbeiter und Arbeiterinnen ausgesetzt sind und zum anderen die Umweltbelastungen, welche beim Abbau der benötigten Rohstoffe entstehen. Ein letzter Punkt ist die Preisentwicklung von Elektrofahrzeugen. Da in etwa die Hälfte der Wert- schöpfung eines Elektrofahrzeuges in der Batterie liegt, ist dies der mit Abstand größte Kostenfaktor. Zwar konnte der Preis pro kWh einer Batterie zwischen 2010 und 2020 von ca. 1 100 Dollar auf 137 Dollar (89 %) reduziert werden. Ein Elektroauto kostet im Schnitt allerdings immer noch 10 000 bis 15 000 Euro mehr als ein vergleichbares Auto mit Verbrennungsmotor.40 Da die größten Kosten innerhalb der Batterie durch die entsprechenden Rohstoffe anfallen, werden die essentiellen Bestandteile Lithium, Kobalt, Mangan, Nickel, Graphit sowie Kupfer und Aluminium hinsichtlich des Preises, der Herkunft und möglichen Engpässen im folgenden Abschnitt genauer untersucht.
4.1 Lithium
Der Anteil an Lithium ist bei jedem Auto und jedem Batterietyp unterschiedlich. Je nach Fahrzeugtyp und Batteriegröße können in einem etwa 500 kg schweren Batteriesystem etwa 36 kg reines Lithium stecken. Zukünftig wird sich der notwendige Anteil von Lithium für die einzelne Zelle voraussichtlich nicht viel weiter als auf 72 Gramm pro kg Batteriezelle reduzieren lassen.41
Das Leichtmetall Lithium ist aufgrund seiner hohen Reaktivität auf der Erde nicht elementar vor- handen. Es kommt sowohl in primären als auch in sekundären Lagerstätten vor. Das weltweite Vorkommen auf dem Festland wird auf etwa 70 Millionen Tonnen geschätzt. In primären Lager- stätten kommt es in zahlreichen verschiedenen Mineralien vor. Da die Gewinnung aus diesen Mineralien mit großem Aufwand und starken ökologischen Schäden verbunden ist, spielen diese aktuell bei der Gewinnung nur eine untergeordnete Rolle. Mit zukünftig weiter steigenden Preisen und zunehmender Nachfrage könnte sich das allerdings in den nächsten Jahren ändern. Der größte Abbau von Lithium findet aktuell aus sekundären Lagerstätten -in Form von gelösten Lithiumsalzen aus Salzseen statt. Dafür wird das lithiumhaltige Wasser in verschiedene Verdunstungsteiche gepumpt und über Monate so lange an der Sonne verdunstet, bis die nötige Konzentration an Lithiumsalz erreicht ist. Danach wird es abgepumpt und in mehreren Etappen aufbereitet, gefiltert und getrocknet. Die aktuell größten Lithiumreserven sind weltweit stark konzentriert (siehe Abbildung 3). Weitere riesige Vorkommen werden in anderen südamerikanischen Ländern wie z.B. Bolivien vermutet.42
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3: Länder mit den größten Lithiumreserven im Jahr 2021 (Statista Research Department, 2022)
Problematisch sind auch bei der Gewinnung aus sekundären Lagerstätten die ökologischen Folgen. Die Regionen der Hauptproduzenten in Südamerika und Australien gehören zu den trockensten Orten der Welt. In diesen Regionen wird durch die Verwendung des Grundwassers die Trockenheit zusätzlich gefördert.43
[...]
1 Vgl. (Kords, de.statista.com, 2022)
2 Vgl. (Bundesministerium für Umwelt, 2021, S. 6 ff.)
3 Vgl. (Presse- und Informationsamt der Bundesregierung, 2022)
4 Vgl. (Die Bundesregierung, 2009, S. 3 ff.)
5 Vgl. (Kords, de.statista.com, 2022)
6 Vgl. (Rudschies, 2022)
7 Vgl. (SPD; Gruene; FDP, 2021, S. 27)
8 Vgl. (Hoyer, 2015, S. 1 f.)
9 Vgl. (FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR SYSTEM- UND INNOVATIONSFORSCHUNG ISI, 2020, S. 11 ff.)
10 Vgl. (FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR SYSTEM- UND INNOVATIONSFORSCHUNG ISI, 2020, S. 22 f.)
11 Vgl. (Korthauer, 2013, S. 3 f.)
12 Vgl. (emobilitaet.online, o.J.)
13 Vgl. (Hoyer, 2015)
14 Vgl. (emobilitaet.online, o.J.)
15 Vgl. (emobilitaet.online, o.J.)
16 Vgl. (Kompetenznetzwerk Lithium-Ionen-Batterien e. V. (KLiB), kein Datum)
17 Vgl. (Dorrmann, Sann-Ferro, Heininger, & Mähliß, 2021, S. 11)
18 Vgl. (emobilitaet.online, o.J.)
19 Vgl. (Hoyer, 2015, S. 12)
20 Vgl. (Korthauer, 2013, S. 5)
21 Vgl. (Korthauer, 2013, S. 5 f.)
22 Vgl. (Kurzweil & Dietlmeier, 2015, S. 281)
23 Vgl. (Korthauer, 2013, S. 6)
24 Vgl. (Hoyer, 2015, S. 17)
25 Vgl. (Korthauer, 2013, S. 6 f.)
26 Vgl. (Kurzweil & Dietlmeier, 2015, S. 290 ff.)
27 Vgl. (Hoyer, 2015, S. 19)
28 Vgl. (Kurzweil & Dietlmeier, 2015, S. 174 ff.)
29 Vgl. (Kurzweil & Dietlmeier, 2015, S. 265 ff.)
30 Vgl. (Kurzweil & Dietlmeier, 2015, S. 241)
31 Vgl. (Hoyer, 2015, S. 19 f.)
32 Vgl. (Becker, Beverungen, Winter, & Menne, 2019, S. 7 f.)
33 Vgl. (Hoyer, 2015, S. 21)
34 Vgl. (Kurzweil & Dietlmeier, 2015, S. 191 f.)
35 Vgl. (Korthauer, 2013, S. 34-42)
36 Vgl. (Korthauer, 2013, S. 56 f. )
37 Vgl. (Hoyer, 2015, S. 24 f.)
38 Vgl. (Becker, Beverungen, Winter, & Menne, 2019, S. 8 ff.)
39 Vgl. (Hoyer, 2015, S. 28 f.)
40 Vgl. (Fröndhoff & Witsch, 2021)
41 Vgl. (FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR SYSTEM- UND INNOVATIONSFORSCHUNG ISI, 2020)
42 Vgl. (Institut für Seltene Erden und Metalle AG, o.J.)
43 Vgl. (Institut für Seltene Erden und Metalle AG, o.J.)
- Citation du texte
- Anonyme,, 2022, Recycling und Wiedereinbringung in den Stoffkreislauf von Elektroautos mit besonderem Blick auf die Batterie, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1339318
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