Minerale als Innovationsmotor für Batterien

Energiewende und Elektrifizierung sind weltweite Trends. Sie haben Mobilität und Anpassungsfähigkeit elektrischer Geräte und Systeme ein deutliches Stück vorangebracht, beispielsweise durch die Einführung von Elektrofahrzeugen und Speicherlösungen für erneuerbare Energien. Diese Trends haben den Fokus industrieller Innovationsführer auf die Batterietechnologie gelenkt. Aufgrund der stetig steigenden Nachfrage in vielen verschiedenen Industriezweigen ist die Batterieproduktion in den letzten Jahrzehnten in die Höhe geschnellt. Damit einher gehen die Erschließung neuer Beschaffungsquellen für die Batterierohstoffe und eine verbesserte Effizienz der Prozesse und Technologien bei Herstellung und Produktion. 

In der Batteriechemie hat die Kombination der Minerale erheblichen Einfluss auf die erzielte Gesamtleistung. Für die Elektroden und den Elektrolyten in jeder Zelle werden verschiedene Elemente und Verbindungen miteinander kombiniert, und ihre Wechselwirkungen bestimmen dann die Eigenschaften der Batterie. Diese Seite beschreibt den Weg wichtiger Minerale vom Vorkommen in der Erde bis zu den Batterien für den Antrieb der mobilen und elektrischen Systeme, auf die unsere moderne Welt zunehmend angewiesen ist. Dabei werden auch die Herausforderungen bei der Aufrechterhaltung stabiler Lieferketten sowie die dafür geeigneten Strategien näher betrachtet. 

Lithium-Ionen-Batterien sind der bei weitem bedeutendste Typ in der heutigen Batterielandschaft. Sie bestehen aus verschiedenen Batteriemineralen und weiteren Materialien, aus deren komplexer Kombination sich die spezifischen Eigenschaften der Batterie ergeben. Das namensgebende Element Lithium ist zwar der wichtigste Bestandteil, aber für die Herstellung von Lithium-Ionen-Zellen werden noch weitere Minerale benötigt.

Die Kathode einer Batterie beeinflusst mehrere wichtige Leistungsmerkmale, darunter Energiedichte, Ausgangsleistung und Lebensdauer der Zelle.

Kobalt wird aufgrund seiner hohen Energiedichte und Stabilität häufig in Kathoden von Lithium-Ionen-Batteriezellen verwendet, insbesondere für Elektrofahrzeuge. Allerdings gibt es gerade beim Abbau von Kobalt mehr ethische Bedenken als bei den meisten anderen Batteriemneralen. Verantwortungsbewusste Batteriehersteller müssen daher die Herkunft ihrer Rohstoffe in ihren Lieferketten nacherfolgen und dafür sorgen, dass auch die Akteure im Upstream Rechenschaft über korrekte Geschäftspraktiken ablegen. Die Europäische Union hat beispielsweise Vorschriften für sogenannte Konfliktminerale erlassen. Ihr Ziel ist es, die Nutzung von Mineralen einzuschränken, mit denen bewaffnete Konflikte finanziert werden oder bei deren Abbau gegen Menschenrechte verstoßen wird.

Nickel wird häufig in Lithium-Ionen-Kathoden verwendet, die bezogen auf Gewicht und Volumen eine noch höhere Energiekapazität bieten. Aufgrund der potenziellen Auswirkungen auf empfindliche Ökosysteme gibt es gegenüber dem Abbau von Nickel jedoch Bedenken im Hinblick auf den Umweltschutz. Zu nennen wären hier Entwaldung, Verlust von Lebensräumen und Wasserverschmutzung in Meeresregionen in den wichtigsten Herkunftsländern dieses Minerals, beispielsweise in Indonesien und auf den Philippinen. Aus diesen Gründen hat der führende US-amerikanische Elektrofahrzeughersteller Tesla angekündigt, in Zukunft auf nickelbasierte Lithium-Ionen-Batterien zu verzichten.

Mangan steht in größeren Mengen zur Verfügung und ist nicht so teuer wie Nickel und Kobalt, hat aber bezogen auf Gewicht oder Volumen eine geringere Energiedichte. Durch diese geringere Energiedichte ist Mangan allerdings auch weniger reaktiv oder feuergefährlich und daher sicherer für den Einsatz in bestimmten Lithium-Ionen-Batterietypen, beispielsweise Lithium-Mangan-Phosphat-Batterien. Deshalb bevorzugen Hersteller von Elektrowerkzeugen und andere kostenbewusste Produktionsbetriebe für ihre Batterien häufig dieses Mineral.

Anoden bilden die negative Elektrode einer Batterie. Sie werden hauptsächlich aus Graphit hergestellt, einer ohne Weiteres verfügbaren und kostengünstigen allotropen Form von Kohlenstoff. Die Gewinnung von Graphit ist jedoch ebenfalls mit Umweltproblemen verbunden, hauptsächlich durch potenzielle Staubbelastung, Wasserverschmutzung und Zerstörung von Landschaften. Die Lösung dieser Probleme ist daher eine wichtige Voraussetzung für einen nachhaltigen Betrieb.

Bei einigen neueren Batterietypen mit hoher Dichte besteht die Anode aus Silizium statt aus Graphit, da Silizium mehr Lithium-Ionen speichern kann. Für den Einsatz in Elektrofahrzeugen bedeutet dies eine größere Reichweite und höhere Ladegeschwindigkeit. Da Silizium jedoch dazu neigt, sich beim Laden auszudehnen und beim Entladen zusammenzuziehen, stellt dieses Verhalten ein Sicherheitsrisiko dar, das beim Aufbau solcher Zellen minimiert werden muss.

Der Elektrolyt zwischen der Kathode und der Anode einer Batterie ermöglicht den Fluss der Ionen. Er besteht üblicherweise aus Lithiumsalzen, die in organischen Lösungsmitteln gelöst sind. Lithiumhexafluorophosphat, das durch die Reaktion von Lithiumfluorid mit anderen Lösungsmitteln entsteht, beherrscht derzeit den Markt für Lithium-Ionen-Elektrolyte. In der Forschung werden jedoch auch alternative Lithiumsalze und Festkörperelektrolyte untersucht.

Lithium kommt am häufigsten in Südamerika in Salzpfannen oder Salzwüsten sowie in Australien in Hartgesteinsformationen vor. Üblicherweise wird es in großflächigen Verdunstungsbecken oder durch konventionelle Bergbauverfahren gewonnen. Beide Abbauverfahren erfordern eine verantwortungsvolle Vorgehensweise, um Schäden für die lokalen Wasserressourcen und Ökosysteme zu minimieren.

Im Gegensatz zu vielen anderen Metallen wird Lithium bei der Raffination nicht in einen metallischen Zustand überführt, sondern in hochreine lösliche Verbindungen wie Lithiumcarbonat oder Lithiumhydroxid.

Bei der Gewinnung aus Sole müssen Lithiumsalze aus unterirdischen Solen, wo sie in Konzentrationen von 200 mg/l vorkommen, in großen Verdunstungsbecken auf 1400 mg/l konzentriert werden. Bei großflächigem Einsatz ist das Verfahren zeitaufwendig und wasserintensiv.

Nach der Konzentration durchläuft die Sole eine Reihe chemischer Reaktionen, um unerwünschte Verbindungen auszufällen. Dies führt schließlich zur Kristallisation, sodass Lithiumcarbonat extrahiert werden kann. Eine sorgfältige Überwachung dieser Reaktionen und effiziente Filtrationsprozesse sind eine entscheidende Voraussetzung, um die Lithiumgewinnung zu maximieren und Abfälle zu minimieren.

Als Alternative steht mit der direkten Lithiumextraktion ein nachhaltigeres Verfahren zur Verfügung, bei dem Lithium direkt aus der Sole gewonnen wird und keine Verdunstungsbecken benötigt werden. Dieses Verfahren nutzt die Eigenschaften adsorbierender Stoffe mit einer Affinität zu Lithium. Lithiumreiche Lösungsmittel werden dabei mithilfe von Tonerdemineralen und Ionenaustauscherharzen aus der Sole gewonnen. Nachdem die Adsorptionsmittel mit Lithiumionen gesättigt sind, werden sie einer Desorption unterzogen, und die Lithiumlösung wird aufgefangen. Leider ist dieses Verfahren in der Größenordnung, die zur Deckung des kommerziell relevanten Lithiumbedarfs benötigt würde, noch nicht wirtschaftlich realisierbar.

Beim Hartgestein-Bergbau wird Spodumenerz in Steinbrüchen abgebaut, zerkleinert und durch Erhitzen in Drehrohröfen bei hohen Temperaturen in Beta-Spodumen umgewandelt. Der gesamte Prozess ist sehr energieintensiv.

Nach seiner Umwandlung durchläuft das Erz chemische Reaktionen, beispielsweise die Extraktion aus Sole, wobei Verunreinigungen nach und nach entfernt werden. Dies wird Schritt für Schritt fortgesetzt, bis nur noch Lithiumcarbonat und in geringen Konzentrationen Nebenprodukte übrig bleiben. Die Verbindung muss durch Zugabe einer Lithiumbicarbonatlösung weiter gereinigt werden. Anschließend wird sie gefiltert und erneut erhitzt, bis Lithiumcarbonat in Batteriequalität erreicht ist. Der erzielte Reinheitsgrad von 99,999 % wird als auch als „fünf Neuner“ bezeichnet.

Wie Lithium müssen auch andere Batterieminerale raffiniert werden, damit sie die in der Batteriezellenfertigung benötigte Reinheit erreichen. Je nach Mineral und vorgesehener Anwendung erfordert dies üblicherweise verschiedene chemische und physikalische Umwandlungen. Die Lithium-Raffination umfasst mehrere Reinigungs- und Filtrationsschritte, Kobalt und Nickel werden dagegen durch komplizierte pyrometallurgische oder hydrometallurgische Prozesse abgeschieden.

Nach der Raffination können die hochreinen Materiale zur Herstellung von Batteriekomponenten verwendet werden. Kathoden- und Anodenmaterialien werden durch präzise Misch-, Erhitzungs- und Beschichtungsverfahren synthetisiert. Um stets eine optimale Batterieleistung zu erzielen, werden dafür zuverlässige Messungen und Qualitätskontrollen benötigt. 

Elektrolyte werden durch sorgfältiges Auflösen von Lithiumsalzen in reinen Lösungsmitteln hergestellt. Gleichzeitig muss das Eindringen von Feuchtigkeit verhindert werden, um Batteriedegradation und Sicherheitsrisiken zu vermeiden. Diese Komponenten werden anschließend zusammengeführt, in mehreren Schichten übereinander gelegt, gewickelt und hermetisch dicht versiegelt, damit die Batterie nicht ausläuft und eine möglichst lange Lebensdauer erreicht.

Bei der Montage werden einzelne Zellen zu Batteriepacks und Batteriemodulen kombiniert, die auf spezifische Anwendungen zugeschnitten sind, beispielsweise Smartphones, Elektrofahrzeuge und hochentwickelte batteriegepufferte Energiemanagementsysteme.

Der Weg der Batterieminerale endet nicht mit ihrer ersten Nutzung. Da in der Industrie und der Öffentlichkeit das Bewusstsein für die Endlichkeit dieser Ressourcen und die Umweltauswirkungen durch deren Gewinnung und Verarbeitung wächst, wird verstärkt gefordert, die Prinzipien der Kreislaufwirtschaft anzuwenden. Dazu müssen Anstrengungen unternommen werden, die das Batterierecycling praxistauglicher und wirtschaftlich rentabler machen, damit wertvolle Minerale aus gebrauchten Batterien zurückgewonnen werden können. Dies verringert die Abhängigkeit vom Abbau neuer Rohstoffe und mindert Risiken durch Schwachstellen in der Lieferkette.

In Anbetracht der stark steigenden Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien ist die Optimierung von Rohstoffgewinnung, Produktion und Recyclingprozessen zwingend geboten, um einen fortgesetzten nachhaltigen Betrieb zu gewährleisten und Umweltschäden zu minimieren. In Betracht kommen hierfür Maßnahmen wie die Umsetzung von Wassermanagementstrategien, die sorgfältige Einhaltung regionaler Umweltvorschriften und Investitionen von Bergbauunternehmen und weiteren Akteuren in die direkte Lithiumextraktion.

Die Produktion von Batteriemineralen ist ein Beispiel für die Verflechtung von Technologie, Umwelt und gesellschaftlichem Wandel. In einer Zeit, in der die Menschheit nach geeigneten Lösungen für die Energiewende sucht und sich gemeinsam auf den Weg zur CO₂-Neutralität begeben hat, muss die Industrie ethische Grundsätze, Umweltschutz und Rentabilität in ihre langfristigen Nachhaltigkeitsstrategien integrieren. Anhaltender Erfolg erfordert technologischen Fortschritt, eine ethische Beschaffung von Rohstoffen und eine insgesamt nachhaltige Produktion.