Entwicklungen bei Lithium-Ionen-Batterien / 30.08.2019

Entwicklungen bei Lithium-Ionen-Batterien


Christian Bach, Empa


Tags: Lithium-Ionen-Batterie / erwartete Weiterentwicklung / CO2-Emissionen bei der Herstellung


Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge machten in den letzten Jahren eine schnelle
Entwicklung durch. Ein wesentlicher Grund dafür sind verbesserte Kathodenmaterialien, wie
beispielsweise der Ersatz des NMC-1:1:1 (d.h. gleiche Anteile an Nickel (N), Mangan (M)
und Kobalt (C)) durch NMC 5:3:2 oder 6:2:21. Andere Hersteller verwenden Batterien mit
Nickel, Kobalt und Aluminium (NCA) mit einem Nickelanteil von >80%. Ein Vorteil dieser Batterien
ist, dass das problematische Kobalt reduziert wird. Man kann auch in den nächsten
Jahren kontinuierliche Fortschritte in diesem Bereich erwarten.


Als nächster grösserer Entwicklungsschritt ist der Ersatz des heute noch flüssigen und
brennbaren Elektrolyts durch nicht-brennbare, anorganische Festkörper Elektrolyte absehbar.
Solche Batterien weisen eine verbesserte Betriebssicherheit auf und sie versprechen
durch den Einsatz von metallischem Lithium als Anodenmaterial – anstatt heutigen Graphit-
Anoden – sowohl eine höhere Energiedichte als auch kürzere Ladezeiten; wobei die Verhinderung
der Dendritenbildung, die zu Kurzschlüssen führen könnte, eine Herausforderung
darstellt. Festkörperbatterien mit metallischem Lithium werden ab 2030 in E-Fahrzeugen
erwartet.


NMC 6:2:2-Batterien enthalten pro kWh Speicherkapazität rund 1.1 kg an Lithium, Nickel,
Kobalt und Mangan, was ungefähr 15% der Batteriemasse ausmacht2. Der Rest ist Kupfer,
Aluminium, Stahl und sonstige Materialien. Die Rohstoffe dazu müssen aufbereitet und zu
Batteriezellen bzw. Batterien verarbeitet werden, was zu entsprechenden CO2-Emissionen
führt. Bei bisherigen Batterien stammten 60% der CO2-Emissionen aus der Verwendung von
Elektrizität und 40% aus Hochtemperaturwärme für die Aufbereitung der Rohstoffe2. Aufgrund
von energetischen Optimierungen bei der Batterieherstellung konnte der Stromverbrauch
in den letzten Jahren halbiert werden.


Entscheidend für die CO2-Emissionen von Batterien ist aber auch der Strommix bei der Herstellung.
Nimmt man den aktuellen Strommix in China mit 1‘100 g CO2/kWhel an3, resultieren
rund 175 kg CO2/kWh Batteriekapazität. Bei 800 g CO2/kWhel (mittlerer Strommix der Batterie-
Herstellerländer China, Korea, Japan, USA)4 resultiert eine Emission von 145 kg
CO2/kWh. Bis 2030 geht man von einer Reduktion der CO2-Belastung bei der Strombereitstellung
in China auf 620 bzw. in den Batterie-Herstellungsländern auf 335 g CO2/kWhel aus,
was – in Verbindung mit den o.g. Effizienzmassnahmen – bedeutet, dass die CO2-
Emissionen der Batterieherstellung auf 70 bzw. 55 kg CO2/kWh Batteriekapazität sinken
könnte. Bei erneuerbarer Elektrizität können Werte um 40 kg CO2/kWh Batteriekapazität erreicht
werden.


Diese Zahlen, wie auch Verbrauchsannahmen, werden teilweise „unreflektiert“ verwendet,
was dann zu divergierenden Einschätzungen zur CO2-Minderung von Elektrofahrzeugen
führt.


Weitere Informationen:
1 Zimmer, W. et al; Optionen einer Dekarbonisierung des Verkehrssektors – Endbericht. Öko-Institut, DLR, Institut
für Energie- und Umweltforschung (ifeu), INFRAS, Berlin (2016)
2 Bernhard W.; Recycling von Li-Ionen-Batterien im Kontext von Technologie- und Preisentwicklungen; ATZelektronik
(2019)
3 Sternberg A. et al; Treibhausgasemissionen für Batterie und BZ-Fahrzeuge mit Reichweiten >300km; Fraunhofer
ISE (2019)
4 Agora Verkehrswende; Klimabilanz von Elektroautos (2019)


30.08.19; SSM-Information Nr. 18

 

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