Stärkung der Wertschöpfungskette von Batterien

Durch die wachsende Bedeutung von Mobilität und Flexibilität im Alltag haben die Hersteller von Batterien in den letzten Jahrzehnten ein enormes Wachstum verzeichnet. Von ihren bescheidenen Anfängen in den 1990er Jahren, als die moderne Lithium-Ionen-Batterie zunächst für den Einsatz in der Unterhaltungselektronik entwickelt wurde, ist sie inzwischen aus Mobiltelefonen, Laptops und vielem mehr nicht mehr wegzudenken.

Martin Eberhard, Mitbegründer von Tesla, machte einen bedeutenden Schritt nach vorne, als er mehrere Lithium-Batterien für den Antrieb von Elektrofahrzeugen (E-Fahrzeuge) zusammenbaute. Er erkannte, dass sich die Techniken zur Herstellung von Laptop-Batterien so anpassen ließen, dass auch diese deutlich größeren Batterien kostengünstig produziert werden können. Diese Techniken wurden daher von Tesla und weiteren E-Fahrzeug-Herstellern in die bestehende Batterielieferkette integriert. Der Tesla Roadster, das 2008 vorgestellte Flaggschiff, wurde von 6.831 Lithium-Ionen-Laptop-Batterien angetrieben. Er hatte eine Reichweite von 400 km und erzielte eine Höchstgeschwindigkeit von mehr als 200 km/h.

Neben Elektrofahrzeugen treiben Sorgen wegen des Klimawandels den Umstieg auf nachhaltige Stromerzeugungstechniken voran, beispielsweise durch Wind, Sonne und Geothermie. Da dies intermittierende Energiequellen sind, d. h., dass die Stromerzeugung nicht stetig, sondern mit Unterbrechungen erfolgt, sind Batteriespeicher für eine solche Lösung unverzichtbar. Moderne Lithium-Batterien werden auch zunehmend zur kontinuierlichen Stromversorgung in Mikronetzen eingesetzt und ergänzen so das klassische Stromnetz. Besonders wichtig ist dies für Rechenzentren und andere Anwendungen, die eine redundante Stromversorgung erfordern.

Lithium durchläuft auf seinem Weg aus der Erde bis in den Groß- und Einzelhandel viele Verarbeitungsschritte und Prozesse wie Abbau, Raffination, Batterieherstellung und Versand. Der Preis von Lithium-Batterien bildet alle diese Zwischenschritte ab. Größere E-Fahrzeug-Batterien können daher recht teuer sein. Ein Ersatzmodul des „Megapack“ für das Tesla Model S kostet beispielsweise zwischen 8.000 und 10.000 US-Dollar.

Die Wertschöpfungskette für Batterien besteht im Wesentlichen aus vier Phasen:

1. Upstream: Minenarbeiter fördern Lithium, Kobalt, Mangan, Phosphate, Nickel und Graphit für die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien.
2. Midstream: In Aufbereitungs- und Raffinerieanlagen werden die aktiven Bestandteile von Kathoden und Anoden hergestellt. Rohstoffhändler kaufen diese aktiven Bestandteile und verkaufen sie an Unternehmen, die daraus Batteriezellen fertigen.
3. Downstream: Batteriehersteller bauen Zellen zu Modulen zusammen, die dann an Groß- oder Einzelhändler verkauft werden.
4. Lebensende: Betriebe für Batterierecycling zerlegen gebrauchte Batterien in ihre Einzelkomponenten. Mit vielen verschiedenen Verfahren werden sie zur Herstellung neuer Batterien wiederverwendet.

Lithium kommt in kommerziell nutzbaren Mengen hauptsächlich an Fundorten in Australien, Argentinien, Bolivien und Chile vor. In Australien wird der Großteil des Lithiumerzes aus Spodumen-Minen im Tagebau gewonnen. Die Greenbushes-Mine in Westaustralien ist die größte im Fels arbeitende Lithium-Mine der Welt und produziert jährlich Lithium-Spodumen im Wert von ca. 5,6 Mrd. US-Dollar.

In Nord- und Südamerika wird Lithium aus Salzsolen gewonnen, die sich unter uralten Salztonebenen (auch als Salzpfannen bezeichnet) befinden. Die Produktionsunternehmen bohren diese salinen Aquifere an und pumpen die Flüssigkeit dann in Verdungstungsbecken, wo nach dem Verdunsten die Lithiumsalze zurückbleiben. Aus den Konzentraten im Verdunstungsbecken können weitere Mineralen wie Brom gewonnen werden.

Nachdem die Rohstoffe abgebaut sind, müssen sie vor der weiteren Verwendung raffiniert werden. Laut Bloomberg NEF gehören China, Südkorea und Japan zu den weltweit führenden Ländern in der Batterieherstellung. China nimmt derzeit eine beherrschende Stellung in der weltweiten Lieferkette für Lithium-Ionen-Batterien ein und produziert 80 % aller Lithium-Ionen-Batterien, 70 % der Kathoden und 80 % der Anoden. Darüber hinaus verarbeitet und raffiniert China mehr als die Hälfte des weltweiten Lithiums, Phosphats, Kobalts und Graphits.

Die Zweitplatzierten, Südkorea und Japan, sind für eine deutlich geringere Batterieproduktion verantwortlich. Südkorea produziert 15 % der Kathodenelektroden und 3 % der Anodenelektroden weltweit, Japan jeweils 14 % bzw. 11 %.

Bei der Raffination der Lithiumerze kommen ähnliche Verfahren wie bei der Zementherstellung zum Einsatz, beispielsweise Zerkleinern, Kalzinieren, Mahlen und Sulfatieren. Durch Auswaschen und Filtern werden andere Minerale wie Aluminiumoxid, Mangan und Calcium entfernt. Dieser Prozess wird so lange fortgesetzt, bis man Lithiumcarbonat in Batteriequalität erhält.

Bei der Batterieherstellung müssen zuerst die einzelnen Batteriezellen vollständig zusammengebaut und anschließend zu einer Einheit aus mehreren Zellen montiert werden. Die wichtigsten Komponenten sind Kathode, Anode und Elektrolyt. Lithium-Ionen-Kathoden bestehen hauptsächlich aus Lithium, die Anoden bestehen aus Kohlenstoff. Zu jeder Zelle gehören ein Separator und ein Gehäuse, das die Batteriematerialien aufnimmt und mit einem leitfähigen Elektrolyt gefüllt ist.

Anode und Kathode werden aus einer Paste („Slurry“) hergestellt, die aus Aktivmaterial, Leitadditiven und einem Bindemittel besteht. Die Paste wird dann auf ein Film- oder Foliensubstrat aufgetragen. Die Folie wird zugeschnitten und kalandriert, d. h. zwischen zwei Druckwalzen auf die für die Batterie erforderliche Stärke verringert, und anschließend getrocknet. Das Lösungsmittel wird zur Wiederverwendung zurückgewonnen.

Nachdem Anode und Kathode fertiggestellt sind, wird zwischen ihnen ein Separator angebracht. Anschließend wird das gesamte Gehäuse mit Elektrolytgel gefüllt.

Neben den typischen Herausforderungen einer Lieferkette weist die Wertschöpfungskette für Batterien einige Besonderheiten auf, die kritisch überwacht werden müssen, um Sicherheit und Nachhaltigkeit zu gewährleisten. Zunächst einmal erfordern die Lieferketten ein sorgfältiges Management, um eine konstante Versorgung mit Solen, Erzen und anderen benötigten Rohstoffen sicherzustellen. China ist zwar das wichtigste Land für die Batterieherstellung, doch Rohstoffe kommen aus allen Teilen der Welt. Jede Unterbrechung beim Transport kann deshalb gravierende Folgen haben.

Außerdem fallen bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien feste, flüssige und gasförmige Abfälle an. Dies kann sich potenziell negativ auf die Umwelt auswirken, insbesondere in Regionen mit laxen Umweltvorschriften.

Aufgrund der von Lithium-Ionen-Batterien ausgehenden Brand- und Explosionsgefahr ist es sehr wichtig, dass strenge Standards für Herstellung, Entsorgung und Recycling dieser Batterien durchgesetzt werden. Durch gefälschte Batterien aus zweifelhaften Quellen können diese Gefahren noch verschärft werden.

Auch das Recycling von Lithium-Ionen-Batterien kann problematisch sein. Diese Batterien gelten zwar als gefährlicher Abfall, Hersteller können durch Wiederverwendung jedoch erhebliche Energieeinsparungen erzielen und gleichzeitig die negativen Umweltauswirkungen durch die Entsorgung vermeiden.

Die Produktionskosten für Lithium-Ionen-Batterien sind hoch. Dies liegt an der erforderlichen Qualität der Rohstoffe, der anspruchsvollen Qualitätskontrolle, komplexen Herstellungsverfahren und der hohen Nachfrage. Für die Herstellung von einer Tonne reines, batteriefähiges Lithium werden beispielsweise 289 Tonnen Erz, 750 Tonnen Sole bzw. 28 Tonnen Lithium-Ionen-Batterien benötigt.

Als mögliche Lösung für diese Herausforderungen wird an der Realisierbarkeit von Natrium-Ionen-Batterien geforscht. Natrium kommt wesentlich häufiger vor als Lithium, ist einfacher abzubauen und deutlich günstiger. Außerdem ist es weniger flüchtig und stabiler.

Flussbatterien (auch als „Redox-Flow-Batterien“ bezeichnet), die Energie in einem flüssigen Elektrolyten speichern, werden ebenfalls im Hinblick auf einen möglichen Einsatz als Großspeicher in Stromnetzen untersucht. Diese Batterietypen bestehen aus zwei oder mehr Tanks, die den Elektrolyten enthalten. Mit dieser Anordnung wird der Elektrolyt wird durch eine elektrochemische Zelle gepumpt, um dabei Strom zu erzeugen.

Natrium-Ionen-Zellen und Flussbatterien haben jedoch bezogen auf Volumen und Gewicht eine geringere Energiedichte als Lithium-Ionen-Batterien. Sie sind zudem weniger effizient und damit weniger zuverlässig für Endanwendungen. Daher bleiben Lithium-Ionen-Batterien auf absehbare Zeit auch weiterhin die Technologie erster Wahl.

Lithium-Ionen-Batterien haben die mobile Stromversorgung revolutioniert und bahnbrechende Technologien wie Smartphones, Elektrowerkzeuge, Elektrofahrzeuge und Mikronetze ermöglicht. Im Zuge der weltweiten Umstellung auf erneuerbare Energien und Elektromobilität wird die Nachfrage nach Batterien weiter steigen. Die komplexe und weltweit verflochtene Wertschöpfungskette von Lithium-Batterien stellt jedoch eine große Herausforderung dar.

Globale Nachhaltigkeitsziele erfordern eine ethisch verantwortliche Beschaffung von Rohstoffen, die Minderung der Umweltauswirkungen während des gesamten Produktionsprozesses und eine Lösung für die komplexen Probleme des Batterierecyclings. Elektrochemische Alternativen wie Natrium-Ionen-Batterien sind zwar vielversprechend, aber die Lithium-Ionen-Technologie bleibt die beherrschende Kraft auf dem Batteriemarkt. Lithium-Ionen-Batterien sind nur ein Baustein für die weltweite Energiewende und die Bemühungen zur Reduzierung der CO₂-Emissionen, um das Netto-Null-Ziel bis 2050 zu erreichen.