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Lithium-Ionen-Akku: Unverzichtbar für die Zukunft?

Smartphone, Laptop, Akkuschrauber, Elektroauto: Kaum ein Gerät kommt ohne einen Lithium-Ionen-Akku aus. Doch dessen Herstellung ist meist problematisch. Forschende arbeiten daher an dessen Zukunft. Und an Alternativen.
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Das Wichtigste zum Thema Lithium-Ionen-Akkus

  • Lithium-Ionen-Akkus gehören als wiederaufladbare elektrochemische Energie-Speicher zu den Sekundär-Zellen.

  • Weil sie leichter und leistungsfähiger sind, lösen sie andere Sekundärzellen sowie auch nicht aufladbare Primär-Zellen ab. Dazu gehören auch Alkali-Mangan-Batterien.

  • Ihre Herstellung steht jedoch in der Kritik. Weil die Rohstoffförderung meist wenig klima- und menschenfreundlich ist, suchen Wissenschaftler:innen nach alternativen Quellen. Auch im Südwesten und Osten Deutschlands schlummern Lithium-Vorkommen.

  • Kaum wegzudenken und doch keine Zukunft? Mittlerweile haben Lithium-Ionen-Akkus ihr Leistungspotenzial scheinbar nahezu ausgeschöpft. Forscher:innen arbeiten daher an Upgrades und suchen nach Alternativen.

  • Entstehung, Entwicklung, aktuelle Herausforderungen: Auf dieser Seite bekommst du einen Überblick vom Anfang des Lithium-Akkus bis zur Frage, wie seine Zukunft aussehen könnte.

Wie der Lithium-Ionen-Akku entstanden ist

Den ersten wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Akku brachte 1991 Sony in einer Videokamera auf den Markt. Danach entwickelten vor allem Fachleute in Südkorea und Japan die Batteriezellen weiter.

Die eigentliche Basis zur Massenentwicklung des Lithium-Ionen-Akkus legten jedoch Stanley Whittingham, John Goodenough und Akira Yoshino bereits in den 70er- und 80er-Jahren. Die Wissenschaftler forschten unabhängig voneinander an den Akkus.

Für ihre wissenschaftliche Leistung, die die heutige Gesellschaft maßgeblich technisch revolutioniert hat, bekamen die 3 Forscher 2019 den Chemie-Nobelpreis.

Akira Yoshino John Goodenough Stanley Whittingham


Der Japaner Akira Yoshino (links), der US-Amerikaner John Goodenough (Mitte) und der Engländer Stanley Whittingham (rechts) bei der Nobelpreisverleihung in Schwedens Hauptstadt Stockholm am 10. Dezember 2019.
© picture alliance/AP Photo | Jonas Ekstromer

So funktioniert ein Lithium-Ionen-Akku

Fachleute vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) erklären, woraus ein Lithium-Ionen-Akku besteht und wie dieser funktioniert.

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Lithium made in Germany

Lithium-Ionen-Akkus spielen insbesondere auch bei der Energie- und Verkehrswende eine entscheidende Rolle. Durch ihren Einsatz in Autos oder Bussen als nachhaltige Alternative gegenüber Verbrennungsmotoren will Deutschland seine Klimaziele erreichen.

Auf ihren teils langen Wegen bis zum Endgeräte schleppen Lithium-Ionen-Akkus jedoch häufig einen enormen "Umwelt-Rucksack" mit.

 

🥵 Rohstoff-Abbau und Verarbeitung als Klimasünder

Zur Herstellung von Lithium-Ionen-Akkus braucht es kostbare Rohstoffe wie Lithium und Kobalt. Deren Gewinnung und Weiterverarbeitung ist aber in der Regel weder klimaverträglich noch menschenfreundlich.

Lithium etwa befindet sich in Chile, Argentinien und Bolivien, die nach Australien zu den größten Lithium-Lieferanten zählen, im Grundwasser. In Chile wird Lithium im Salar de Atacama, einem großen Salzsee im hohen Norden des Landes, gefördert. Um es zu gewinnen, wird das stark mineralhaltige Grundwasser zum Verdunsten in riesige künstlich angelegte Becken gepumpt.  Weil dafür aber viel Wasser und Energie aufgewendet wird, verschärft dieser Prozess unter anderem die dort ohnehin große Wasserknappheit.

Die Weiterverarbeitung geschieht häufig in Ländern wie China und Südkorea. Dort arbeitet die Industrie noch größtenteils mit Strom aus Kohlekraftwerken - woran sich angesichts der schärferen Klimazielen Chinas künftig aber etwas ändern könnte.

Kinderarbeit Kongo


Kobalt wird hauptsächlich in der Demokratischen Republik Kongo abgebaut - meist durch Kinderarbeit. Hier siehst du Kinder während der Arbeit in einer Kobalt-Mine im Kongo.
© picture alliance / dpa | Thomas Coombes

 

🤔 Suche nach alternativen Rohstoff-Quellen

Zwar schlummern vor allem in Bolivien, Chile und Argentinien trotz der weltweit steigenden Nachfrage noch gigantische Lithium-Reserven. Um die mit dem Lithium-Import mitgeführten Probleme aus anderen Ländern zu vermeiden, arbeiten Fachleute jedoch an Alternativen, um den Rohstoff zu gewinnen.

Tatsächlich gibt es auch bei uns in Deutschland große Lithium-Vorkommen: unter anderem gelöst in Tiefenwasser unter dem Oberrheingraben in der Nähe von Karlsruhe. Diese Mengen können den Bedarf in Deutschland und Europa zwar wohl nicht allein decken, aber unterstützen.

Für Wärme und Strom wird das Tiefenwasser in den Geothermie-Anlagen bei Karlsruhe bereits gefördert. Das in dem Wasser enthaltene Lithium geht bisher jedoch ungenutzt wieder zurück. Dabei befördern die Anlagen in einer Stunde Lithium-Mengen nach oben, die für rund 30 E-Bike-Akkus ausreichen würden.

Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) arbeiten an einem Verfahren, das das in dem Tiefenwasser enthaltene Lithium praktisch als "Nebenbei-Produkt" nutzbar macht. Zwar wird die Förderung in Deutschland wohl teurer als die Produktion in Südamerika. Dafür sind die Transportwege kürzer und die Verfahren greifen weniger in die Natur ein.

Forscher am KIT


Ein Forscher am KIT untersucht ein Mittel zur Lithium-Gewinnung aus Geothermal-Wasser.
© picture alliance/dpa | Uli Deck

Akku aufladen mit Körperwärme?

Der Akku von elektrischen Geräten ist oft schnell leer. Ein amerikanisches Unternehmen hat eine Methode entwickelt, Geräte mit Hilfe der eigenen Körperwärme aufzuladen.

Rohstoff-Recycling statt Elektromüllberge

Auch wenn Lithium-Ionen-Akkus nachhaltig sind, leben sie nicht ewig. Ein durchschnittlicher E-Auto-Akku etwa soll zunächst rund 10 Jahre halten und mehr als 1.000-mal entladen und wieder aufgeladen werden können.

Danach können die Akkus im stationären Betrieb durchaus weitere 10 Jahre im Einsatz sein. Im BMW-Werk in Leipzig zum Beispiel läuft die Produktion über Solar- und Windstrom, der in mehreren Hundert zusammengeschalteten Auto-Akkus gespeichert wird.

Auch nach ihrem Zweit-Leben sind die Akkus aber keineswegs Abfall. Immer wichtiger wird das Recycling der Batterien. So kommen die enthaltenen wertvollen Rohstoffe in einen Kreislauf und gehen nicht verloren.

Firmen wie Duesenfeld in Niedersachsen oder Kyburz in der Schweiz erzielen hier große Fortschritte. Sie geben an, durch innovative Verfahren mehr als 90 Prozent der Materialien in Batterien zu recyceln.

Fachleute fordern, dass derartige Recycling-Quoten auch politische Maßgaben sein sollten. Die Europäische Kommission überarbeitet deshalb die Europäische Batterierichtlinie aus dem Jahr 2006. Darin sind mit 50 Prozent für Lithium noch weitaus niedrige Zielquoten vorgegeben.

50 Euro Pfand für Akkus?

Bereits vor einigen Jahren gab es die Idee eines Pfands für Akkus. Bis heute sehen einige Fachleute darin die Lösung für das Elektromüll-Problem.

Upgrades für Lithium-Ionen-Akkus - und Alternativen

  • 🏆

    In den vergangenen Jahren haben Forscherinnen und Forscher enorme Fortschritte hinsichtlich der Energiedichte von Lithium-Ionen-Akkus erzielt.

  • 👩‍🔬

    Einem Team um Lauren Marbella etwa ist es gelungen, Lithium-Ionen-Akkus langlebiger und sicherer zu machen. Die Hinzugabe des Metalls Kalium verhindere unerwünschte chemische Nebenreaktionen in der Batterie-Zelle, die zu Explosionen führen können.

  • 🚗

    Der chinesische Akkuhersteller CATL (Contemporary Amperex Technology Ltd), zu dessen Kunden unter anderem Tesla gehört, hat eine Batterie entwickelt, die auf das schmutzige Kobalt verzichtet und auf eine Lebensdauer von 1,6 Millionen Kilometern ausgelegt ist.

  • 🔋

    Viele Expert:innen sind jedoch sicher: Der Lithium-Ionen-Akku wird nicht so dominant wie der Verbrennungsmotor werden. Für die verschiedenen Bedarfe von Mobilität bis Energieversorgung gebe es verschiedene Batteriekonzepte.

  • 🔌

    Ulrich Schubert und seine Forscher:innen haben zum Beispiel eine sogenannte Redox-Flow-Batterie entwickelt. Sie besteht aus zwei Flüssigkeiten und behält im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Akkus ihre Leistungsfähigkeit.

  • Herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus haben bisher vereinfacht gesagt einen flüssigen Kern. Wissenschaftler:innen um Rüdiger Eichel haben hingegen eine Festkörperbatterie entwickelt. Sie kommt weitgehend ohne giftige oder bedenkliche Stoffe aus und läuft bei Beschädigung auch nicht Gefahr, übermäßig zu erhitzen oder zu explodieren.

  • 🧂

    Eine günstige Alternative zu Lithium ist Natrium, das sich etwa in Koch- und Meersalz praktisch überall problemlos findet. Auch haben Natrium-Ionen-Akkus eine höhere Lebensdauer, weisen aber eine geringere Energiedichte als Lithium-Ionen-Akkus auf. Bereits in den nächsten Jahren sollen erste Akkus auf den Markt kommen.

Ein flüssiger Akku als Lösung für das Lithium-Dilemma?

In Jena arbeiten Ulrich Schubert und sein Team an einer Flüssigkeit, die fast beliebig oft aufladbar, austauschbar und zu hundert Prozent recyclebar ist. Was steckt genau dahinter?

Veröffentlicht: 26.06.2021 / Autor: Alexander Duebbert