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Schlüsseltechnik Lithium-Ionen-Akkumulator

Der Lithium-Ionen-Akkumulator ist eine ausgesprochen flexible Technologie. Materialien in unterschiedlicher Kombination kommen dabei zum Einsatz. Sollte der Verbrennungsmotor in absehbarer Zeit ausgemustert und die globale Fahrzeugflotte mehr und mehr elektrisch angetrieben werden, wächst dem Lithium-Ionen-Akku eine Schlüsselrolle zu.

Wie sieht dieser Übergang von der Ressourcenseite her aus? Wie steht es mit der Verfügbarkeit von Lithium, Kobalt, Nickel oder Kupfer? Wie könnte die Recyclierung der Materialien organisiert werden? Mit diesen Fragen befasst sich die deutsche Innovationsallianz Lithium-Ionen-Batterie – LIB 2015 aus Wirtschaft, Wissenschaft und Politik. Ihr Sprecher ist Professor Martin Winter aus Münster. Im Interview mit FAKTOR X gibt er einen Einblick in die künftige Entwicklung der Akkumulator-Technik.

Die Technik

Der Bleiakkumulator geht auf eine Erfindung des Franzosen Gaston Planté im Jahr 1859 zurück. Die Technologie ist mittlerweile voll entwickelt und markiert nach wie vor den Standard für Starterbatterien in Autos. Dagegen ist die Lithium-Ionen-Technologie recht jung, Sony brachte sie 1991 auf den Markt. Der kommerzielle Durchbruch gelang erst, als man gänzlich auf metallisches Lithium verzichtete. Stattdessen nutzt man Wirtelektroden aus anderen Materialien. Der Anteil von Lithium ist dabei relativ gering, er beträgt auf die Zelle gerechnet lediglich etwa fünf Prozent. Entscheidend sind die Lithium-Ionen. Beim Ladevorgang werden sie aus der positiven Elektrode in die negative „gepumpt“, beim Entladen bewegen sie sich in die entgegen gesetzte Richtung. Das ist das Grundprinzip. Daher hat die Technologie auch ihren Namen.

Für die Elektroden und den Elektrolyten finden unterschiedliche Materialien Anwendung. Dabei ist die Kombination entscheidend für die Qualität des Stromspeichers. Ob Energiedichte, schnelles Laden und Entladen oder Sicherheit im Umgang – je nach Anforderung ist der Lithium-Ionen-Akkumulator optimierbar. Insgesamt besteht noch ein erheblicher Forschungsbedarf.

Der Lithium-Ionen-Akkumulator ist eine Schlüsseltechnologie, insbesondere für Elektrofahrzeuge. Er verfügt über den größten Wirkungsgrad aller Stromspeicher, im günstigen Fall mehr als 90 Prozent. Das heißt, fast alle Energie, die man in den Akkumulator hineingibt, kann man auch wieder herausholen. Stellt man dann noch in Rechnung, dass Elektromotoren einen Wirkungsgrad von etwa 95 Prozent haben, ergibt sich ein ausgesprochen effizientes System. Demgegenüber verfügt der Benzinmotor nur über einen Wirkungsgrad von 20 Prozent. Hinzu kommt: von allen Batterietechniken speichert der Lithium-Ionen-Akku die meiste Energie, in Computerakkus derzeit bis zu 200 Wattstunden pro Kilogramm.

Nimmt man beide Aspekte zusammen, die Leistungsfähigkeit und die Flexibilität der Technik, ergibt sich ein erhebliches Entwicklungspotenzial. Genau daran arbeitet in Deutschland die Innovationsallianz Lithium-Ionen-Batterie - LIB 2015 aus Wissenschaft, Wirtschaft und Politik.

Elektromobilität

Im Interview erläutert Martin Winter seine Vorstellung der evolutionären Entwicklung der Elektromobilität. Der Lithium-Ionen-Akkumulator ist danach keine Entweder-Oder-Technik, sondern fügt sicht in die existierende Infrastruktur ein. Im Hybrid-Fahrzeug führt sie zu einer Effizienzsteigerung des Verbrennungsmotors. Unter anderem, weil Bremsenergie ins System zurückgeführt wird. Schritt für Schritt gewinnt der Elektroanteil im Hybrid-Fahrzeug an Bedeutung. Der Lithium-Ionen-Akku wird größer, der Elektromotor leistungsfähiger. Zuerst unterstützt er während der Beschleunigung des Fahrzeugs, dann übernimmt er Kurzstrecken, später soll er auch auf längeren Distanzen eingesetzt werden.

Möglicherweise bleibt diese Form des Hybrids uns noch eine ganze Weile erhalten. Ebenso denkbar ist aber auch, dass der Verbrennungsmotor ab einem bestimmten Punkt der Entwicklung aus dem Fahrzeug ausgemustert wird. Andere Hybridformen gewinnen an Bedeutung: Brennstoffzelle plus Lithium-Ionen-Technik oder auch rein elektrisch mit dem Lithium-Ionen-Akku plus einer „Superbatterie“, wie Martin Winter sie nennt. Dabei hofft er auf eine Steigerung der Energiedichte um den Faktor 5. Das entspricht 1000 Wattstunden pro Kilogramm. Die „Superbatterie“ würde dann die energetische Grundlast im Auto übernehmen. Der Lithium-Ionen-Akku, weil er so flexibel ausgelegt werden kann, würde beim Beschleunigen oder Bremsen ins Spiel kommen.

Denkbar ist für Martin Winter auch der Einsatz moderner Batterietechnik in einer vehicle to grid-Infrastruktur. Fahrzeuge übernehmen in diesem Konzept Speicherfunktionen für das gesamte Energienetz. Nachts, wenn das Auto in der Garage steht, könnte es beispielsweise Peakstrom aus Windkraftanlagen einlagern. Martin Winter sieht allerdings Grenzen der Idee. Zwischenspeichern ja, aber für eine strategische Bevorratung mit Strom über Monate sei die Lithium-Ionen-Technik nicht geeignet.

Lithium-Ionen-Technik und Ressourcen

Lithium wird im industriellen Maßstab derzeit nicht recycliert. Dafür sind die Mengen, die in Computerakkus anfallen, noch zu gering. Sollte die Nachfrage durch die Verbreiterung der Lithium-Ionen-Technik in Fahrzeugen wachsen, sind nach Martin Winter zwei Wege denkbar: Erstens, Lithium wird im Verbund mit anderen wertvollen Materialien wie Kobalt, Nickel oder Kupfer, die ebenfalls im Lithium-Ionen-Akku zum Einsatz kommen, mit recycliert. In diesem Fall entstünde ein tragfähiges Businessmodell. Es könnte aber auch geschehen – und dies wäre der zweite Fall –, dass Erträge mit der Recyclierung für Lithium nur in geringem Umfang zu erwirtschaften sind. Dann müsste der Prozess subventioniert werden.

Grundsätzlich ist der Lithium-Ionen-Akkumulator eine ressourcenintensive Technologie. Damit stellen sich automatisch Fragen der Versorgungssicherheit. Bei einer evolutionären Entwicklung und einer moderaten Steigerung der Nachfrage sind aus Sicht von Martin Winter die Fragen der Lithium-Gewinnung wie der Recyclierung lösbar.