Lithium und Kobalt sind wesentliche
Bestandteile aktueller Lithium-Ionen-Batterien. Dass die Verfügbarkeit
beider Elemente durch die erhöhte Nachfrage zunehmend kritisch werden
könnte, zeigt eine aktuelle Analyse von Forschern des vom Karlsruher
Institut für Technologie (KIT) gegründeten Helmholtz-Instituts Ulm
(HIU). Kobaltfreie Energiespeichermaterialien und
Post-Lithium-Technologien, die auf unkritischen Elementen wie Natrium
oder Magnesium, aber auch Zink, Kalzium und Aluminium basieren, eröffnen
eine Möglichkeit, diesen Ressourcendruck zu verringern und langfristig
zu umgehen. Diese Ergebnisse stellen die Forscher in der Zeitschrift
Nature Reviews Materials vor.
Neben Lithium ist Kobalt in heutigen
Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) ein wesentlicher Bestandteil der
positiven Elektrode und ausschlaggebend für die Energie- und
Leistungsdichte sowie Lebensdauer. Allerdings ist die geringe
Verfügbarkeit und hohe Toxizität von Kobalt problematisch, wie im
Artikel von Dr. Christoph Vaalma et al. beschrieben. „Generell wird die
schnell wachsende Marktdurchdringung von LIBs für mobile und stationäre
Anwendungen insbesondere bei Lithium und Kobalt zu einer steigenden
Rohstoffnachfrage führen“, sagt Professor Stefano Passerini, der die
Studie zusammen mit Dr. Daniel Buchholz am Helmholtz Institut Ulm
geleitet hat. Anhand einer Szenario-basierten Analyse bis 2050 zeigten
die Forscher für verschiedene Anwendungen von Batterien, dass der
Preisanstieg und die Knappheit von Kobalt wahrscheinlich auftreten wird,
weil die Nachfrage durch Batterien zweimal so hoch sein könnte wie die
heute identifizierten Kobaltreserven. Im Gegensatz dazu seien die heute
identifizierten Lithiumreserven ausreichend, die Produktion müsse jedoch
stark hochskaliert werden (abhängig vom Szenario bis um das Zehnfache),
um die zukünftige Nachfrage zu decken. Beide Elementreserven weisen
zudem eine starke geografische Konzentration auf und befinden sich in
Ländern, welche als politisch weniger stabil eingestuft werden. Dies
lasse eine mögliche Verknappung und eine damit verbundene
Preissteigerung von LIBs in naher Zukunft befürchten. „Um diese Risiken
zu verringern und den Druck auf die Kobalt- und Lithiumreserven zu
reduzieren, ist es unerlässlich, die Forschungsaktivitäten auf
alternative Batterietechnologien auszuweiten“, so Daniel Buchholz.
„Post-Lithium-Systeme sind besonders attraktiv für die Elektromobilität
und stationäre Anwendungen. Daher ist es äußerst wichtig und dringend,
ihr Potenzial auszuschöpfen und diese innovativen, hochenergetischen
Batterien zur Marktreife zu entwickeln", betont Stefano Passerini,
stellvertretender Direktor des HIU.
Diese Ergebnisse bestätigte kürzlich auch ein
ebenfalls am HIU entwickeltes globales Szenario für Batterieanwendungen
im Bereich der Elektromobilität bis zum Jahr 2050. „Dass die zukünftige
Verfügbarkeit von Kobalt für die Massenproduktion von Batterien als
sehr kritisch einzustufen ist, zeigt sich auch an der Preiserhöhung von
mehr als 120 Prozent innerhalb eines Jahres (2016-2017)",- betont der
Systemanalytiker Dr. Marcel Weil vom HIU. Die Etablierung einer
zirkularen Batterieökonomie mit hoher Recyclingrate würde den Druck auf
kritische Materialien sicher abbauen.
Beide Studien unterstreichen die Bedeutung
neuer Batterietechnologien, die auf reichlich vorhandenen, günstigen und
ungiftigen Elementen basieren und dadurch den Druck auf kritische
Ressourcen verringern. Daher haben das KIT und die Universität Ulm
gemeinsam den Antrag „Energy Storage beyond Lithium: New storage concepts for a sustainable future“ für einen Exzellenzcluster erarbeitet, welcher die Entwicklung von
Natrium-Ionen-, Magnesium-Ionen- und anderen Batterien basierend auf
reichlich vorhandenen Materialien verfolgt. Auch das Zentrum für
Sonnenenergie- und Wasserstoffforschung Baden-Württemberg (ZSW) und die
Justus-Liebig-Universität Gießen sind daran beteiligt.
Literatur:
C. Vaalma, D. Buchholz, M. Weil und S.
Passerini "A cost and resource analysis of sodium-ion batteries" Nat.
Rev. Mater. 3, 18013 (2018): https://www.nature.com/articles/natrevmats201813 (mit Abonnement); http://rdcu.be/IWu1 (Leseversion)
M. Weil, S-. Ziemann, J. Peters "The Issue of
Metal Resources in Li-Ion Batteries for Electric vehicles." In:
"Behaviour of Lithium-ion Batteries in Electric Vehicles." Amsterdam,
Niederlande: Elsevier 2018
Über das Helmholtz-Institut Ulm (HIU)
Das HIU wurde im Januar 2011 vom KIT als
Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft in Kooperation mit der Universität
Ulm gegründet. Mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
sowie dem Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung
Baden-Württemberg (ZSW) sind zwei weitere renommierte Einrichtungen als
assoziierte Partner in das HIU eingebunden. Das internationale Team aus
rund 110 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern forscht im HIU an der
Weiterentwicklung der Grundlagen von zukunftsfähigen Energiespeichern
für den stationären und mobilen Einsatz. Ein besonderer Fokus liegt in
der Entwicklung von lithium- und kobalt-freien Post-Lithium
Technologien.