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Lithium Ionen Akku
Mittlerweile handelt es sich beim Lithium Ionen Akku um eine durchgängig bekannte Bezeichnung. Es handelt sich um jenen Bestandteil eines elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs, der es, wie die Autobatterie eines Diesels oder Benziners, mit Energie versorgt.
Es ist der Akku im Auto, den es aufzuladen gilt, wie beim Smartphone, Laptop oder Tablet – mobile, elektrisch betriebene Geräte. Dazu gehören nun auch Autos. Und Fahrräder. Also Fahrzeuge.
Aktuelle News rund um den Lithium Ionen Akku
Lithium Ionen Akku: Oder das Herz eines E-Fahrzeugs
Von allen Versuchen zur Schaffung eines Fahrzeugs mit einem ökologisch akzeptablen Fußabdruck setzten sich die Lithium-Ionen-Akkumulatoren (englisch: lithium-ion batteries, LIBs) aufgrund ihrer hohen Leistungsfähigkeit als Spitzenreiter durch. Sie sind die kleinsten ihrer Art und doch bringen sie die meiste „Power“ mit sich. So lautet auch die Beschreibung ihrer Optik und ihr Charakter: klein, kompakt und leistungsstark.
Im Vergleich zu anderen Akkus haben sie nämlich die höchste Energiedichte, was bedeutet, dass sie pro Kilogramm Batterie die meiste Energie speichern können. Die Energiedichte wird von vielen Faktoren, jedoch maßgeblich vom sogenannten Kathodenmaterial, bestimmt. Größtenteils kommen hier Metalloxide (wie z.B. Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid, kurz NMC) oder kobaltfreie Varianten wie Metallphosphate (z.B. Lithium-Eisen-Phosphat, kurz LFP) zum Einsatz. Aufgrund der hohen Energiedichte der LIBs sind große Reichweiten bei akzeptablem Ressourcenaufwand im Automobilbereich überhaupt erst möglich geworden.
Es gibt, mehrere Typen von Akkumulatoren (Akkus) für Elektroautos, die allermeisten basieren jedoch auf der Lithium-Ionen Technologie (für Details zur Technologie siehe Abschnitt Wirkungsweise). Die meisten LIBs unterscheiden sich (teilweise deutlich) bei den eingesetzten Materialien und deren Wirkungsweise, was unter dem Begriff Zellchemie zusammengefasst wird.
Die einzelnen Lithium Ionen Akkus (auch Zellen genannt) sind hermetisch verschlossen, wodurch eine Wechselwirkung mit Luftsauerstoff und Wasser verhindert wird. Diese Zellen werden zu Modulen und mehrere Module schließlich zu einem Batteriepack zusammengefasst, welches meist von circa minus 20° bis plus 60° Celsius einsatzfähig ist. Eine Temperierung des Batteriepacks mithilfe eines Kühlmittels sorgt die Einhaltung dieses Temperaturbereiches. Da die Temperaturen hohen Einfluss auf ihre Lebensdauer haben, gibt es Dinge, die zu berücksichtigen sind.
Was vielleicht noch für den Einen oder Anderen utopisch klingen mag, ist längst in unseren Alltag eingezogen. Diese hohe Energie-Dichte, also volle Leistung auf kleinstmöglichen Raum, hat sich bei mobilen Geräten längst etabliert. Und zwar bei den am meisten verwendeten Gebrauchsgegenständen im Alltag, den Smartphones, Tablets, Notebooks und Digitalkameras. Und nunmehr auch bei Kraftfahrzeugen. Kurz gesagt: Das Prinzip an sich ist alles andere als neu – neu ist aber der massenhafte Einsatz im Individualverkehr. Während in der Öffentlichkeit kaum Stimmen laut werden, welche den Bedarf von Rohstoffen beim Handy als umweltpolitisch inakzeptabel bezeichnen, wird das Elektroauto von der Öffentlichkeit genauestes beobachtet und auch kritisiert.
In den letzten Jahren wurden bezüglich der Haltbarkeit und Sicherheit von Lithium Ionen Akkus erhebliche Verbesserungen erzielt. Durch den hohen Forschungsaufwand und die stark steigende Nachfrage und Produktionskapazitäten werden LIBs stets weiter verbessert und deren Produktion immer kostengünstiger.
Wirkungsweise von Lithium Ionen Akkus
Lithium-Ionen sind klein und beweglich. Sie sind die Ladungsträger im System. Diese befinden sich am Minuspol (der negativen Elektrode, beim Entladen als Anode bezeichnet) in einer anderen chemischen Umgebung als am Pluspol (der positiven Elektrode, beim Entladen als Kathode bezeichnet). Beim Entladen wandern die Lithium-Ionen durch den Elektrolyten (meist ein Lithiumsalz in einem organischen Lösungsmittel) von der Anode zur Kathode, was mit einem Energiegewinn verbunden ist. Die beiden Elektroden sind mittels eines Separators (meist ein Polymer) räumlich voneinander getrennt. Sie besitzen Schichtstrukturen, in welche die Lithium-Ionen eingelagert (intercaliert) werden können. Man spricht daher von Intercalationsverbindungen. Gängig sind Graphitverbindungen als Anodenmaterialien und Metalloxid- bzw. Metallphosphat-Verbindungen als Kathodenmaterialien.
Aufgrund der hohen Zellspannung (üblicherweise 3-4 V) der LIBs sind wasserbasierte Elektrolyte ungeeignet. Die kompatiblen organischen Flüssigelektrolyte sind jedoch brennbar und stellen daher ein Sicherheitsrisiko dar, was LIBs jedoch mit anderen organischen Kraftstoffen wie Benzin oder Diesel gemein haben. Zusätzlich soll kurz der Begriff „Zyklus“ erläutert werden. Er bezeichnet die Zeitspanne zwischen einer vollständigen Auf- und Entladung eines Lithium Ionen Akkus.
Die ersten Lithium Ionen Akkus für Autos gaben schon oft nach einem bis drei Jahren ihren Geist auf. Es konnte zwischenzeitlich festgestellt werden, dass es dabei nicht unbedingt an der Anzahl der Zyklen lag, sondern schlicht an den Lagerbedingungen. Denn bei falscher Lagerung entstehen sogenannte „parasitäre“ chemische Verbindungen, aus denen sich ein schleichender Kapazitätsverlust ergibt. Dem wird jedoch durch stetige Weiterentwicklung der Akkus entgegengewirkt, weshalb heutige LIBs bei gleicher Lagerdauer und Zyklenzahl deutlich langlebiger sind als ihre älteren Pendants.
Nach aktuellen Prognosen betreffend künftiger Produktionssteigerungen werden sich die aktuellen Zahlen bis 2029 verzehnfachen. Unbedarft, dessen erscheint die Produktion gesichert – die erhöhte Nachfrage schlug sich auf den Preis nieder und der Markt für Lithium ist stark im Wachsen. Er öffnete aber auch anderen Branchen die Tür für verstärkte Expansionen – Lieferketten werden neu definiert, große Teile der Weltwirtschaft haben sich verändert.
Natürlich treten dabei immer wieder vorab noch unklare Faktoren auf, welche sich auf den Endpreis auswirken. So gab die Regierung in China zu neuen Durchbrüchen in der Produktion ein Statement ab, welche auf Preisreduktionen hindeuten. Tatsächlich ist es so, dass es bei Lithium im Gegensatz zu anderen Metallen schlicht keinen „üblichen Handelspreis“ gibt. Insider geben manchmal Prognosen ab. Zieht man all diese Einschätzungen in seine eigenen Gedanken ein und berechnet man deren Durchschnitt, dürfte man so die bestmögliche Prognose erhalten. Dabei gilt – im Gegensatz zu anderen Gütern – als gesichert: Die Nachfrage wird hier trotz Preisunsicherheit ansteigen.
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Lithium Ionen Akku: Erhöhung der Lebensdauer durch richtige Wartung
Wie bei allen Gütern gibt es Herstellerunterschiede. Allgemeingültige Tipps, online oder in Zeitschriften, sollte man mit den Angaben des Produzenten abgleichen. Manche Lithium Ionen Akkus ermöglichen etwas höhere Kapazitäten, welche sich reduzierend, auf die Zyklen-Anzahl auswirken. Das betrifft jedoch nicht die handelsüblichen Arten.
Richtige Rahmenbedingungen bei Lagerung
- Eine vollständige Ladung strapaziert die Zellenspannung – ideal ist ein Ladestand bis zu 75 %.
- Die selbständige Entladung richtet sich nach der Umgebungstemperatur – zwischen 1 % bei 5° Celsius und 30 % bei 20° Celsius – dies gilt allerdings nur als Richtschnur.
- Bei 15° Celsius werden 60 % und Nachladungen empfohlen.
- Gelförmige oder flüssige Elektrolyten dürfen nicht gefrieren – dies ist meist bei Temperaturen unter minus 25° Celsius der Fall.
Umgebungs- und Betriebstemperatur – darauf gilt es zu achten
- Kälte bewirkt ein Absinken der Leistung weil die chemischen Prozesse langsamer vonstattengehen.
- Ab -25° Celsius können außerdem Elektrolyten frieren. Empfohlen wird hier, unabhängig der Herstellerangaben, diese Grenze nicht zu überschreiten sofern es keine speziellen Arten betrifft, welche extra dafür konstruiert worden sind.
Temperatur während der Ladung
- Kälte während des Ladevorgangs geht mit einer vorzeitigen Alterung einher, die nicht mehr zu kompensieren ist. Temperaturen unter 0° Celsius sind daher zu vermeiden.
- Hitze bewirkt eine Zersetzung von Elektrolyten, welche ihrerseits für eine Schicht auf der Anode sorgen. Das betrifft zwar nicht alle Systeme, sollte aber bei handelsüblichen Akkus bedacht werden.
- Eine allgemeingültige Grenze wird hier bewusst nicht genannt zumal oftmals andere Faktoren, wie etwa die Entladerate, mitspielen.
Heute setzen unerwünschte, chemische Reaktionen später bzw. langsamer ein und sind weniger intensiv als früher beim Lithium Ionen Akku. Man kann sich mittlerweile bezüglich der Lebensdauer schon einwandfrei an den angegebenen Zyklen orientieren. Vorsicht ist geboten bei Importen – die Zeit, bis das Produkt beim Endverbraucher landet, fällt unter den Lebenszyklus.
Recycling des Lithium-Ionen-Akkus
Lithium-Ionen-Akkus bestehen teilweise aus hochgiftigen Komponenten. Die Entsorgung muss umweltpolitisch betrachtet, aber auch aus gesundheitlichen Aspekten, zu einem Recycling-Vorgang führen. Das Lithium wird in der Produktion wieder benötigt. Kobalt, Nickel, Aluminium und Kupfer sind weitere Werkstoffe, welche diese Notwendigkeit mitbegründen. Es wurden hierzu komplexe Recycling-Systeme geschaffen. Die Gewinnung von Kobalt ist tatsächlich eine ökologische Schwachstelle – noch zumindest. Bereits 2020 schafft Tesla Produktionen mit einem Verbrauch von 2,9 %, während Batterien anderer Produzenten etwa bei 12 – 14 % liegen. Es ist allerdings davon auszugehen, dass bis zum Jahr 2025 komplett kobaltfreie Batterien am Markt landen werden. Es ist allerdings davon auszugehen, dass bis zum Jahr 2025 komplett kobaltfreie Batterien am Markt landen werden. Die ansteigenden Preise unterstützen diese positive Entwicklung.
Manche Entwicklungen befassen sich mit synthetischen Ersatzstoffen und dem Einsatz des kostengünstigen Schwefels. Deutschland hat hohe Marktanteile daran. Im Resümee kann es zwar keine „Wunderbatterie“ geben. Und doch bestehen mehrere Optionen für ein ökologisch besseres Ergebnis als bisher. Eine spannende Entwicklung ist auf jeden Fall gesichert, gerade hinsichtlich Kosten und Ökologie. Unter anderem in Bremerhaven startete man 2018 einen hochinteressanten Ansatz, wobei die Mindestquote an recyceltem Material um 40 % übertroffen wird. Angestrebt werden stolze 100 %. Das Investitionsvolumen von mehr als 10 Millionen Euro ist somit ein langfristiges und nachhaltiges Geschäft. Nicht nur Lithium-Ionen, sondern auch Aluminium, Plastik, Edelstahl und Kupfer werden dabei zurückgewonnen. Sogar die erhaltene Energie wird wieder eingespeist. Diese Anlagen benötigen sehr hohe Sicherheitsstandards und sind damit kostenintensive Verfahren. Noch wird das Potenzial freilich nicht ausgeschöpft, aber der Markt dafür befindet sich im Wachsen, da die Zahl der Rückläufer kontinuierlich ansteigt.
Systeme, die bis vor ein paar Jahren noch innovativ erschienen, gelten als revolutioniert. Früher zu Recht geäußerten Kritikpunkten wurde der Boden entzogen: Zuallererst galt es, übermäßigen Bedarf an Wasser ressourcenschonend zu organisieren. Es wurden hierzu komplexe Recycling-Systeme geschaffen. Einer der Vorreiter von heute hat seinen Sitz im deutschen Unternehmen Düsenfeld: Der CO₂-Fußabdruck seiner Lithium-Ionen-Batterie wurde um 40 % reduziert.
Manche Stimmen gehen von einem Ressourcen-Bezug aus Recycling bis 2050 in der Höhe von 40 % des gesamten Bedarfs aus. Der Abbau ist auch wesentlich zeitaufwändiger als Wiederaufbereitung. Derartige Entwicklungen sind weltweit zu beobachten, zum Beispiel in Südkorea, wo eine Vereinbarung zwischen zwei großen Playern hinsichtlich eines Recycling-Programms bei Anlegern auf großes Interesse stößt.
Die in den Akkupaketen verbauten Materialien und hier besonders die Rohstoffe sind einfach zu teuer, dass sie nutzlos verwertet würden. Vorteil: viele der eingesetzten Komponenten lassen sich zu mehr als 90 Prozent wieder recyceln und somit ein zweites oder drittes Mal dem Wirtschaftskreislauf zuführen. Volkswagen beispielsweise hat an seinem Standort in Salzgitter eine Anlage für das Recycling von Hochvoltbatterien eröffnet. Hier sollen so wertvolle Rohstoffe wie Lithium, Nickel, Mangan und Kobalt in einem geschlossenen Kreislauf zurückgewonnen werden und selbst für Aluminium, Kupfer oder Kunststoff soll die Wiederverwertungs-Quote mittelfristig bei über 90 Prozent liegen.
Dabei werden hier nicht nur Akkupakete recycelt, die nicht mehr anderweitig verwendet werden können. Das findet jedoch nur dann statt, wenn die Akkus nicht noch einer sinnvollen Zweitverwertung zugeführt werden können. Im ersten Schritt ist die Salzgitter-Anlage darauf ausgelegt, bis zu 3.600 Batteriesysteme im Jahr zu recyceln – das entsprächen rund 1.500 Tonnen Material. Später kann das System mit optimierten Verfahren auf größere Mengen skaliert werden. „Die Volkswagen Group Components realisiert damit einen weiteren Schritt ihrer nachhaltigen End-to-End-Verantwortung für die Batterie als Schlüsselkomponente der Elektromobilität“, sagt Volkswagen-Vorstand Thomas Schmall.
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Ökologie. Optimierung. Transparenz.
Umweltpolitisch betrachtet liegt der größte Kritikpunkt bei der Gewinnung der Rohmaterialien in einem vermuteten Zusammenhang mit Trockenheit und Dürre in einem der größten und wichtigsten Abbaugebiete für Lithium weltweit: der Salzwüste, Salar de Atacama, in Chile.
Einen Durchbruch schaffte das chilenische Unternehmen SQM. Der Umstand des enormen Wasserverbrauches für die Gewinnung von Salz und Metallen wurde mittels Messstationen in der Salzwüste durch eine enorme Datengewinnung ergänzt und diese findet sich für jedermann ersichtlich präsentiert. Erst die dadurch gewonnenen Erkenntnisse bilden die Voraussetzung für proaktives Gegensteuern. Der ohnehin für die Masse der heute erzeugten Elektrogeräte mit Lithium-Bedarf, davon sind Auto-Akkus nur ein Teil, wird durch den Einsatz dieses Systems unterstützt.
Inzwischen gibt es Elektroautos, welche hinsichtlich ihres Wasserverbrauchs bei der Lithium-Gewinnung mit jedem anderen Lebensbereich einfach vergleichbar sind – der Tesla-Akku befindet sich etwa am selben Niveau wie 250 g Rindfleisch oder 30 Tassen Kaffee.
Preise für Lithium-Ionen-Akkus erstmals leicht gestiegen
Seit mehr als zehn Jahren ging es nur nach unten. Ende 2022 haben steigende Preise für Rohstoffe und Batteriekomponenten sowie eine steigende Inflation zum ersten mal seit 2010 dazu geführt, dass die Preise für Lithium-Ionen-Batteriepakete ebenfalls gestiegen sind: auf 151 US-Dollar (etwa 142 Euro) je kWh im Jahr 2022, ein Plus von 7 Prozent gegenüber dem Vorjahr. BloombergNEF geht davon aus, dass die Preise im Jahr 2023 auf einem ähnlichen Niveau verharren werden, was dem historischen Trend weiter trotzt. Aber danach sollen die Preise rasant sinken.
Die genannten Zahlen stellen einen Durchschnitt für mehrere Batterieanwendungen dar, einschließlich verschiedener Arten von Elektroautos, Elektro-Bussen und stationären Speicherprojekten. Konkret für Batteriepakete in Elektroautos lagen die Preise 2022 im Durchschnitt bei 138 US-Dollar (etwa 130 Euro) je kWh. Auf reiner Zellebene betrugen die durchschnittlichen Preise nur 115 US-Dollar (etwa 108 Euro) je kWh. Dies veranschaulicht, dass die Zellen im Durchschnitt nun gut 83 Prozent des Gesamtpaketpreises ausmachen. In den vergangenen drei Jahren ist das Zell-zum-Pack-Kostenverhältnis mehr und mehr von der traditionellen 70:30-Aufteilung abgewichen. Dies ist teilweise auf Änderungen am Verpackungsdesign zurückzuführen, wie etwa die Einführung von Zell-zu-Pack-Ansätzen, die dazu beigetragen haben, die Kosten zu senken.
Nach Regionen betrachtet waren die Preise für Akkupakete in China mit 127 US-Dollar (119 Euro) je kWh am billigsten. Die Batteriepacks in den USA und Europa waren 24 Prozent bzw. 33 Prozent teurer. Höhere Preise spiegeln die relative Unreife dieser Märkte, die höheren Produktionskosten, das vielfältige Anwendungsspektrum und Batterieimporte wider, so BloombergNEF. Vor allem am oberen Ende der Fahrzeugportfolios treiben geringes Volumen und maßgeschneiderte Aufträge die Preise in die Höhe.
Die Preise wären 2022 weiter gestiegen, wenn nicht die kostengünstigere Zellchemie namens LFP (Lithium-Eisenphosphat) und eine kontinuierliche Reduzierung des teuren Rohstoffs Kobalt preisdämpfend gewirkt hätten, so die Analysten. Im Durchschnitt waren LFP-Zellen im Jahr 2022 gut 20 Prozent günstiger als die klassischen Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Zellen (NMC). Aber selbst die kostengünstigere Variante LFP, die insbesondere den Preisen von Lithiumcarbonat ausgesetzt ist, hat die steigenden Kosten in der gesamten Lieferkette gespürt: Die Preise für LFP-Akkupacks stiegen 2022 um 27 Prozent im Vergleich zu 2021.
„Die Erhöhungen der Rohstoff- und Komponentenpreise haben am stärksten zu den höheren Zellpreisen beigetragen, die 2022 beobachtet wurden. Inmitten dieser Preiserhöhungen für Batteriemetalle haben sich große Batteriehersteller und Autohersteller aggressiveren Strategien zur Absicherung gegen Volatilität zugewandt, einschließlich Direktinvestitionen in Bergbau- und Raffinerieprojekte“, sagt Evelina Stoikou, Mitarbeiterin für Energiespeicher bei BNEF und Hauptautorin des Berichts. Während sich die Preise für wichtige Batteriemetalle wie Lithium, Nickel und Kobalt in den letzten Monaten leicht abgeschwächt haben, geht BNEF davon aus, dass die durchschnittlichen Batteriepreise 2023 nochmals leicht auf 152 US-Dollar je kWh steigen werden.
Erst für 2024 gehen die Analysten von BNEF davon aus, dass der Batteriepreis wieder sinken wird, da dann die Lithiumpreise voraussichtlich nachlassen werden, da mehr Abbau- und Raffineriekapazität zur Verfügung steht. Danach sollen die Preise rasant sinken: Basierend auf den aktualisierten Zahlen prognostiziert die Batteriepreisumfrage 2022 von BNEF, dass die durchschnittlichen Paketpreise bis 2026 unter 100 US-Dollar je kWh fallen sollten. Dies ist zwei Jahre später als bisher erwartet.
Kontinuierliche Investitionen in Forschung und Entwicklung, Verbesserungen des Herstellungsprozesses und Kapazitätserweiterung in der gesamten Lieferkette werden dazu beitragen, die Batterietechnologie zu verbessern und die Kosten in den nächsten zehn Jahren deutlich zu senken, so BloombergNEF. Es dürfe davon ausgegangen werden, dass Technologien der nächsten Generation wie Silizium- und Lithiummetallanoden, Festkörperelektrolyte und neue Kathodenmaterial- und Zellherstellungsverfahren eine wichtige Rolle für weitere Preissenkungen spielen werden.
Die letzte Aktualisierung dieser Informationsseite rund um das Elektroauto wurde am 23. März 2023 vorgenommen.