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Batterietechnik : Der Preis der E-Mobilität

Der Uyuni-Salzsee in Bolivien ist mit mehr als 10.000 Quadrat­kilometern Fläche die größte Salzpfanne der Erde. Er ist auch eine reichhaltige Quelle für Lithiumkarbonat. Bild: dpa

Lithium und Kobalt sind sind wichtige Rohstoffe für moderne Batterien. Doch ihr Vorkommen ist begrenzt und ihre Preise steigen. Gibt es einen Ausweg aus der Misere?

          Lithium und Kobalt gelten als Schlüsselelemente der Elektromobilität. Die beiden Metalle stecken in den Lithium-Ionen-Akkus, die wegen ihrer hohen Energiedichte als Kraftpakete unter den wiederaufladbaren Batterien gelten. Sie versorgen bereits fast alle Handys, Smartphones und Laptops mit elektrischer Energie und in zunehmendem Maße auch E-Bikes und Elektroautos mit Strom. Und der Markt der Elektromobilität beginnt erst zu boomen. Entsprechend sind die Weltmarktpreise für Lithium und Kobalt in die Höhe geschnellt. Alle großen Automobilkonzerne versuchen, sich mittlerweile den Zugang zu den begehrten Stoffen zu sichern.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Doch die weltweiten Reserven sind begrenzt und befinden sich zum Teil in politisch instabilen Regionen der Erde. Experten mahnen seit langem, dass die weltweit steigende Nachfrage an beiden Metallen schon bald zu einer Verknappung und damit zu einer Kostenexplosion auf dem Rohstoffmarkt führen könnte. Batterien könnten, obwohl ihre Preise zuletzt stark gesunken sind, in absehbarer Zeit unerschwinglich werden, so die Befürchtung. Wie es um die Rohstoffversorgung tatsächlich steht, ob Engpässe und Preissteigerungen zu erwarten sind, haben Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie und vom Helmholtz-Institut Ulm  in einer neuen Studie untersucht.

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          Wenn es um wiederaufladbare Stromquellen geht, führt derzeit kein Weg an Lithium und Kobalt vorbei. Lithium ist das leichteste Metall des Periodensystems und besitzt zugleich ideale elektrochemische Eigenschaften. Das Alkalimetall steckt in großen Mengen im Kathodenmaterial, und zwar zusammen mit Kobalt in Form eines Mischoxids. Die Materialkombination sorgt letztlich für hohe Lebensdauer, Energie- und Leistungsdichte der Batterie. Kleine Akkus enthalten nur vergleichsweise geringe Mengen des Alkalimetalls: In einem Handy sind gerade einmal zwei bis drei Gramm verbaut. Für ein Elektroauto werden aber mehrere Kilogramm benötigt. Bei Kobalt verhält es sich ähnlich.

          Batterien auf Lithiumbasis könnten teurer werden

          Bereits jetzt, bevor das Zeitalter der Elektromobilität so richtig begonnen hat, ist die Nachfrage an Lithium und Wolfram immens, wie die Forscher um Daniel Buchholz in der Zeitschrift „Nature Reviews Materials“ schreiben. Laut einem in der Studie zitierten aktuellen Bericht der amerikanischen Behörde für Kartographie USGS sind von 35.000 Tonnen Lithium, die im Jahr 2017 produziert wurden, 46 Prozent für die Herstellung von Batterien verwendet worden. Im Jahr 2025 dürften es 70 Prozent und mehr sein. Die identifizierten Lithiumreserven schätzt man weltweit auf 14,3 Millionen Tonnen. Bei Kobalt war es im vergangenen Jahr rund die Hälfte der zutage geförderten Menge, die in Batterien verbaut wurde. Für 2025 erwartet man ebenfalls eine steigende Nachfrage.

          Obwohl zwei Drittel der weltweiten Lithium-Vorkommen sich auf drei Länder in Südamerika (Chile, Bolivien, Argentinien) konzentrieren, halten die Forscher um Buchholz die verfügbaren Reserven auch für die kommenden Jahrzehnte für ausreichend und gesichert. Um die steigende Nachfrage decken zu können, müsse die Produktion aber gesteigert werden – möglicherweise sogar um das Zehnfache. Die drei südamerikanischen Länder haben auf den gestiegenen Bedarf reagiert und große Produktionsstätten errichtet.

          Als weitaus kritischer bewerten die Wissenschaftler aus Karlsruhe und Ulm die Kobaltreserven. Obwohl große Mengen in der Erde schlummern, ist die Verfügbarkeit vor allem geographisch begrenzt. So wird derzeit mehr als die Hälfte des weltweit geförderten Übergangsmetalls in Minen zutage gefördert, die in Kongo liegen, einem seit Jahren von Bürgerkriegen zerrissenen Land. Aufgrund der politisch höchst unsicheren Lage ist ein Engpass und eine Preissteigerung des wichtigen Metalls zu befürchten, so die Forscher. Einen Ausweg sehen sie in Nickel und anderen weniger wertvollen Metallen. Mit ihnen könnte man das Kobalt in den Elektroden zum großen Teil ersetzen. Würde man auf diese Weise den Kobaltbedarf auch verringern können, so bliebe doch der Bedarf an Lithium unverändert. Mit einer Preissteigerung für Batterien auf Lithiumbasis sei daher in den kommenden Jahren in jedem Fall zu rechnen. Eine umweltschonender und günstigere Alternative sehen die Wissenschaftler hier in Batterien, die auf Natrium basieren. Natrium, ebenfalls ein Alkalimetall, kommt als Natriumchlorid oder Karbonat fast tausendmal so häufig in der Erdkruste vor und kann leichter und umweltschonender abgebaut werden als Lithium.

          Allerdings bedürfen die Natrium-Ionen-Akkus, die erst seit drei Jahren auf dem Markt sind, technischer Verbesserungen und Materialoptimierungen, um das Gewicht zu reduzieren und die geringe Energiedichte zu erhöhen. Sie beläuft sich etwa auf die Hälfte der aktuellen Lithium-Technik. Der Mangel an Rohstoffen und deren Verteuerung dürften nach Ansicht der Forscher den Druck auf die Entwicklung von Batteriesystemen erhöhen, die ohne Lithium und Kobalt auskommen. Allerdings zeigt die detaillierte Kostenanalyse in der Studie auch: Trotz niedriger Rohstoffpreise wird die Herstellung von Batterien auf Natriumbasis grundsätzlich  wohl kaum günstiger sein als die der Lithium-Speicher.

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