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06.09.2021

15:30

Batterieforschung

Wie Akkus für Elektroautos umweltfreundlicher werden sollen

Von: Andreas Schulte

Ob in der Produktion oder per Recycling: Die Umweltbilanz von Akkus für E-Autos muss besser werden. So gibt es die EU vor. Wissenschaft und Wirtschaft erhöhen den Einsatz.

Tim-Patrick Fellinger forscht bei der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung. BAM

Laborarbeit für neue Batterien

Tim-Patrick Fellinger forscht bei der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung.

Köln Den Kreislauf schließen – mit diesem Ziel baut der Chemiekonzern BASF in Brandenburg eine Prototypanlage für die Wiederverwertung von E-Auto-Batterien. Anfang 2023 sollen in Schwarzheide kostbare Rohstoffe wie Lithium, Nickel und Kobalt aus ausrangierten Akkus zurückgewonnen werden. Das Ziel sei auch, den eigenen CO2-Fußabdruck deutlich zu reduzieren, teilte das Unternehmen bei der Bekanntgabe der Pläne Ende Juni mit. Es ist das zweite Projekt am Standort, mit dem BASF dazu beitragen will, E-Autos sauberer zu machen.

Schon vor rund einem Jahr startete ebenfalls in Schwarzheide der Bau einer Fabrik für Batteriematerialien. Bundeswirtschaftsminister Peter Altmaier schwenkte in den Superlativ und lobte das Projekt für den geplanten Einsatz „umweltschonendster Materalien“ – 175 Millionen Euro schießen Bund und Land zu. 2022 ist der Start der Fertigung vorgesehen: 400.000 E-Autos pro Jahr sollen ausgestattet werden.

Die Spezialisten für Kathodenmaterialien konnten jüngst bereits einen prestigeträchtigen Auftrag verbuchen: Die Cellforce Group, ein Porsche-Joint-Venture, hat BASF zum Partner für die Entwicklung von Lithium-Ionen-Zellen ausgewählt.

Ob durch verstärktes Recycling, durch den Einsatz nachhaltiger Materialien oder verbesserte Produktionsprozesse: Wie bei BASF in Brandenburg wird derzeit vielerorts daran gearbeitet, die Umweltbilanz von Batterien für E-Autos zu verbessern. Dabei kommt die gesamte Wertschöpfungskette auf den Prüfstand, zudem testen Forscher neue Batteriekonzepte. Denn die Politik erhöht die Anforderungen an die Branche.

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    Grüner Deal sorgt für Druck

    Den Rahmen setzt die EU-Kommission mit ihrem „Grünen Deal“. 2022 soll eine neue Batterieverordnung in Kraft treten – mit verpflichtenden Nachhaltigkeitskriterien für die Branche. Zudem werden auch die Recyclingvorgaben verschärft. Man wolle dafür sorgen, „dass es nur die umweltfreundlichsten, leistungsfähigsten und sichersten Batterien auf den EU-Markt schaffen“, teilte die Kommission dazu mit.

    Das Marktpotenzial ist hoch. So rechnen die Experten der Denkfabrik Agora Verkehrswende in einer aktuellen Studie bei E-Auto-Batterien mit einem jährlichen Marktwachstum von bis zu 40 Prozent. Ein wichtiger Ansatzpunkt für mehr Nachhaltigkeit ist die Fertigung selbst: „Der Energieverbrauch in der Batteriezellproduktion kann um bis zu 40 Prozent gesenkt werden“, heißt es in der Studie.

    Hier setzen die Fraunhofer-Institute IFAM in Bremen und IWS in Dresden an. Üblicherweise wird bei der Elektrodenproduktion eine leitende Paste auf eine dünne Metallfolie aufgetragen. Bislang gelingt dieser Prozess am besten mit einem toxischen Lösungsmittel. Ein Nachteil: Das Material muss in einem Trockenofen unter Einsatz von viel Energie von der Elektrode entfernt werden. Zudem ist die Entsorgung des giftigen Stoffs teuer.

    Die Fraunhofer-Forscher haben nun ein Verfahren entwickelt, bei dem die Komponenten aufeinandergepresst werden – sowohl das Lösungsmittel als auch die Trocknung sind nicht mehr nötig. „Mit diesem Prozess sparen wir bis zu 50 Prozent der üblicherweise eingesetzten Energie“, sagt Julian Schwenzel, Abteilungsleiter Elektrische Energiespeicher am Fraunhofer IFAM. Nun gilt es, das Verfahren in die Praxis zu bringen. Wann genau das gelingt, darüber will Schwenzel nicht spekulieren. „Aber schon jetzt ist das Interesse der Zellfertiger sehr hoch“, sagt er.

    Einen weiteren Ansatzpunkt für eine nachhaltigere Batterieproduktion, die zudem kostengünstiger ist, bietet die Auswahl der Rohstoffe. „Viele Anbieter arbeiten daran, teure Batteriebestandteile durch günstigere zu ersetzen“, sagt Martin Winter, Leiter des MEET Batterieforschungszentrums der Universität Münster. Besonders im Fokus stehen dabei Lithium-Ionen-Batterien. Die Förderung des Alkalimetalls ist aus ökologischer Sicht umstritten, zudem drohen Engpässe.

    Grafik

    In Münster haben sich deutsche und chinesische Wissenschaftler das Ziel gesetzt, Zink-Luft-Batterien als umweltschonenden Stromlieferanten für den E-Auto-Antrieb zu etablieren. Jüngst vermeldeten sie einen technischen Durchbruch bei der Batteriechemie: Die Zink-Luft-Batterie soll sich künftig wieder aufladen lassen – bislang war das nur schwer möglich.

    „Aufgrund ihrer Vorteile wie Umweltfreundlichkeit, hoher Sicherheit und niedriger Kosten stellt die Zink-Luft-Batterie eine potenzielle alternative Batterietechnologie dar“, sagt Forschungsleiter Wei Sun. Doch bis zur Serienreife bedürfe es „noch intensiver Forschung und Optimierung“.

    Hoffnung auf Alternativen

    Auch CATL sucht einen Weg abseits des Lithiums und verkündete Ende Juli einen Forschungserfolg bei Natrium-Ionen-Zellen. Der chinesische Batterie-Riese will 2023 damit in die Massenfertigung. Technisch lässt sich das Unternehmen nicht in die Karten schauen.

    Üblicherweise ist die Energiedichte von Natrium-Ionen-Batterien (NIB) geringer als die von Lithium-Ionen-Batterien. Die Kapazität wäre also auf gleichem Raum geringer. Jedoch erwarten Experten einen Preisvorteil von bis zu 40 Prozent. Viele Fachleute halten eine Verwendung in E-Autos für denkbar.

    Durch das schnelle Hochfahren von NIB-Produktionskapazität könnten mögliche Versorgungsengpässe bei Lithium-Ionen-Batterien gut überbrückt werden“, sagt Tim-Patrick Fellinger, Experte für Energiematerialien an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM).
    Fellinger will der Natrium-Ionen-Technologie ebenfalls zum Durchbruch verhelfen. In den Batterien werden bislang Kohlenstoffe verwendet, in denen sich nicht nur wie gewünscht die Natrium-Ionen anlagern, sondern auch Elektrolyte, die eigentlich die Ionen nur leiten sollen. Dies senkt die Speicherkapazität. „Wir wollen Verbundwerkstoffe entwickeln, die möglichst vielen Natrium-Ionen Platz bieten, Elektrolyte aber fernhalten“, sagt Fellinger: „Ende 2022 denken wir einschätzen zu können, ob wir mit unserer Strategie eine deutlich erhöhte Speicherdichte erreichen können.“

    Auch Autobauer legen sich für grüne Batterien ins Zeug. Mercedes-Benz will 2023 eine Fabrik für die Kleinserienfertigung von Lithium-Ionen-Batterien in Untertürkheim in Betrieb nehmen – Nachhaltigkeit spiele dabei „eine übergeordnete Rolle“.

    BMW hat sich zum Ziel gesetzt eine „voll kreislauffähige“ Batterie zu entwickeln. Für Experte Winter sind solche Vorstöße nicht allein umweltorientiert: „Einige deutsche und europäische Autobauer bauen erst einmal eher kleine Kapazitäten auf, auch um den asiatischen Anbietern zu zeigen, dass sie nicht mehr komplett von ihnen abhängig sind.“

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