Orientierung in der komplexen Lieferkette für E-Fahrzeug-Batterien

Die zunehmende weltweite Verbreitung von Elektrofahrzeugen („E-Fahrzeuge“) stützt sich auf eine komplexe und kontinuierlich entwickelnde Batterie-Lieferkette, insbesondere für Lithium-Ionen-Batterien. Sie reicht von der Gewinnung der Rohminerale über die Herstellung der Batteriekomponenten bis zur Montage der Zellen. Jeder Schritt dieses aufwendigen Prozesses ist mit spezifischen Herausforderungen und Chancen verbunden. 

Eine der größeren Herausforderungen in der Lieferkette besteht darin, eine ausreichende Verfügbarkeit der Minerale sicherzustellen, um die steigende Nachfrage nach Elektrofahrzeugen zu befriedigen und dabei stets die sich wandelnden Anforderungen an die Batterien zu erfüllen. Zu Beginn des 21. Jahrhunderts waren Elektro-Pkw sehr kompakt. Dadurch konnte die begrenzte Reichweite der damaligen Lithium-Ionen-Akkus maximiert werden. Das 2016er-Modell des Chevrolet Spark EV war beispielsweise nur 3,7 m lang und hatte eine Reichweite von 132 km. Allerdings sind die Erwartungen an Fahrzeuggröße, Reichweite und Leistung in den letzten zehn Jahren gestiegen. Dafür werden größere Batterien mit vorteilhaften Kombinationen der Batterieminerale und einer höheren Anzahl an Zellen pro Fahrzeug benötigt.

Zusätzlich kommt auf die Branche die Aufgabe zu, nachhaltige Recyclingverfahren zu entwickeln, da die ersten E-Fahrzeuge und deren Lithium-Ionen-Batterien inzwischen das Ende ihrer Lebensdauer erreichen. Diese Bemühungen sind sehr wichtig, um Abfälle zu minimieren und den Druck auf neue Ressourcen und die Umwelt, aus der sie abgebaut werden, zu reduzieren.

Die Akzeptanz von E-Fahrzeugen ist in den letzten zehn Jahren weltweit sprunghaft angestiegen. 2023 wurden 10,5 Mio. Elektrofahrzeuge verkauft. Darin sind sowohl rein batterieelektrische als auch Plug-in-Hybridfahrzeuge enthalten. Es gibt keine Anzeichen für eine Verlangsamung. Prognosen gehen von einer jährlichen Gesamt-Wachstumsrate von 32 % bis 2030 aus. Diese Zahlen unterstreichen den dringenden Bedarf an robusten und nachhaltigen Lösungen für die Batterielieferkette.

Wie die meisten Batterien enthalten auch die E-Fahrzeug-Batterien Seltene-Erden-Minerale sowie unterschiedliche Mengen an Lithium, Kobalt, Nickel und Graphit. Viele dieser Stoffe können in einer Kreislaufwirtschaft wiederverwendet und recycelt werden, im Gegensatz zu Kraftstoffen für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor, die auf die kontinuierliche Gewinnung und Verbrennung dieser fossilen Kraftstoffe angewiesen sind. 

Lithium und andere Seltene-Erden-Minerale durchlaufen auf ihrem Weg aus der Erde bis zu den im Groß- und Einzelhandel angebotenen Batteriemodulen viele Verarbeitungsschritte und Prozesse. Diese Schritte sind insbesondere Bergbau, Raffination, Batterieherstellung, Montage und Versand. 

Der Preis von Lithium-Batterien bildet alle Zwischenschritte ab. Größere E-Fahrzeug-Batterien können daher recht teuer sein. Ein Ersatzmodul des „Megapack“ für das Tesla Model S kostet 2024 beispielsweise zwischen 8.000 und 10.000 US-Dollar. 

Der Weg einer E-Fahrzeug-Batterie beginnt in rohstoffreichen Regionen, in denen Seltene-Erden-Minerale abgebaut werden. Die meisten dieser Rohstoffe werden als mineralreiches Erz gewonnen, aufbereitet, verarbeitet, ausgewaschen und gereinigt. 

Der Bergbau kann jedoch zu Entwaldung, Verlust von Lebensräumen und Gewässerbelastung beitragen, wenn keine verantwortungsvollen Umweltschutzmaßnahmen umgesetzt werden. Aufgrund der Konzentration von Seltene-Erden-Mineralen in begrenzten Regionen entstehen zudem Bedenken hinsichtlich der geopolitischer Unsicherheiten und potenzieller Unterbrechungen der Lieferkette. Die Akteure in der Branche müssen den Markt daher gemeinsam beobachten und zusammenarbeiten, um potenzielle Auswirkungen bereits im Vorfeld einzudämmen. 

Die Industrie reagiert auf diese Herausforderungen mit Bemühungen zur Diversifizierung der verwendeten Minerale, mit umweltfreundlicheren Abbauverfahren und Fortschritten bei der Recyclingfähigkeit der Batterieminerale. Diese Maßnahmen sollen die Abhängigkeit von geopolitisch sensiblen Materialien verringern, Ökosysteme in der Nähe von Bergwerken erhalten und Wasserressourcen schützen. 

In den Midstream-Prozessen müssen die Rohstoffe in Verbundmaterialien in Batteriequalität umgewandelt werden. Zu diesen Schritten gehört die Verarbeitung von Lithium zu Verbindungen wie Hydroxid, Carbonat und Salzen, die als wichtige Stoffe bei der Herstellung von Beschichtungen der Batterieelektroden und für die Elektrolytschicht zwischen Kathode und Anode einer Batteriezelle benötigt werden. 

Die Kathode einer Batterie hat erheblichen Einfluss auf die Leistung der Zelle. Die meisten Kathoden für E-Fahrzeug-Batterien bestehen aus einer Kombination von Kobalt- und Nickellegierungen, aber es wird weiter an der Entwicklung sichererer, effizienterer und vielfältigerer Metallkombinationen geforscht. 

Lithium-Ionen-Anoden bestehen üblicherweise aus einer Kupferfolie, die mit Graphit beschichtet ist. Sie bietet den Lithiumionen eine Wirtsstruktur beim Laden und Entladen. Diese Komponente basiert auf einem Spezialgraphit, der auf genaue Korngrößen gemahlen und auf die Kupferoberfläche aufgebracht wird. 

Diese Midstream-Verfahren werden in großen Anlagen durchgeführt, da die meisten E-Fahrzeug-Batterien mehrere tausend Einzelzellen enthalten. Die Gewährleistung der Materialreinheit und Fertigungsqualität ist eine entscheidende Voraussetzung für sichere und effiziente Batterien. Zur Überwachung und Steuerung des Produktionsprozesses werden daher hochentwickelte Mess- und Analysegeräte benötigt. 

Nach der Herstellung werden die Komponenten zu Zellen kombiniert. Für Elektrofahrzeuge sind sie meistens zylindrisch. Diese Zellen werden dann zu großen Batteriesätzen zusammengebaut (auch als „Batteriepack“ oder „Batteriemodul“ bezeichnet). Sie können ein Fahrzeug über große Entfernungen mit Strom versorgen. 

Die Bereitstellung von Batterien, die Elektrofahrzeuge über eine große Reichweite mit Strom versorgen können, ist eine wichtige Voraussetzung, damit Elektrofahrzeuge sowohl auf dem Pkw- als auch auf dem Nutzfahrzeugmarkt praxistaulicher werden. Die Fahrer sind es gewohnt, ihre „Verbrenner“ nach einigen hundert Kilometern in wenigen Minuten an einer der zahlreichen Tankstellen auftanken zu können. Im Gegensatz dazu gibt es nur wenige und weit voneinander entfernte Ladestationen für Elektrofahrzeuge, und an den meisten Ladesäulen dauert es Stunden, bis eine E-Fahrzeug-Batterie aufgeladen ist. 

Um diese Nachteile zu beseitigen, muss die Ladeinfrastruktur weiter ausgebaut werden, vor allem mit Hochleistungs-Schnellladesäulen. Immer leistungsfähigere Batterien mit höherer Energiespeicherkapazität können einige der Bedenken hinsichtlich der praktischen Umsetzung zumindest ein Stück weit ausräumen. Dies gilt besonders für den Pkw- und Lkw-Markt, wo Fahrzeuge oft über längere Zeit geparkt werden und somit ausreichend Lademöglichkeiten bestehen. 

Die Entwicklung von Wasserstoff-Brennstoffzellen ist eine weitere technische Option, um das Problem der Ladedauer zu lösen. In den meisten Regionen fehlt es jedoch an einer entsprechenden Infrastruktur für die Betankung, sodass wasserstoffbetriebene Fahrzeuge in den meisten Märkten derzeit nicht realisierbar sind. 

Lithium-Ionen-Batterien stellen aufgrund der in ihnen gespeicherten Energie sowie der verwendeten hochreaktiven Rohstoffe und Chemikalien eine Gefahrenquelle dar. Wenn sie Funkenflug ausgesetzt sind, stark verformt werden oder Herstellungsmängel aufweisen, können sie gefährlich schnell in Brand geraten. Darüber hinaus können bei der Zersetzung des Elektrolyts auf Lithium-Basis entzündliche Gase wie Ethylen, Methan und Wasserstoff in die Umgebungsluft gelangen. 

Ein Problem, das bei E-Fahrzeug-Batterien ernsthafte Sorgen bereitet, ist thermisches Durchgehen, wenn eine Batterie durch Beschädigung oder unsachgemäßes Laden zu heiß wird. Wenn es dazu kommt, verdampft der Elektrolyt durch die immer stärkere Hitze, wodurch das Zellengehäuse beschädigt wird und entzündliche Gase freigesetzt werden. Durch Überladung kann sich im Inneren der Zelle metallisches Lithium bilden, das interne Kurzschlüsse verursachen und mit der Umgebungsfeuchtigkeit reagieren kann. Sobald diese chemische Reaktion einsetzt, ist sie selbsterhaltend und kann durch eine Unterbrechung der Stromzufuhr nicht gestoppt werden. Thermisches Durchgehen ist leider erst zu erkennen, wenn bereits ein Brand ausbricht. Dies unterstreicht, wie wichtig eine hohe Qualität in der Zellfertigung ist.

Recycling ist in jüngster Zeit zu einem entscheidenden Aspekt in der Lieferkette für E-Fahrzeug-Batterien geworden, da die Branche mit rasch wachsenden Abfallbergen von Batteriekomponenten aus E-Fahrzeugen zu kämpfen hat, die das Ende ihrer Lebensdauer erreichen. Mit der zunehmenden Verbreitung von Elektrofahrzeugen steigt auch der Bedarf an effizienten und nachhaltigen Recyclingverfahren zur Rückgewinnung wertvoller Metalle, zur Minimierung der Umweltauswirkungen und als Ergänzung zur Rohstoffgewinnung für die Herstellung neuer E-Fahrzeug-Batterien.

E-Fahrzeug-Batterien können auf ähnliche Weise wie kleinere Lithium-Ionen-Batterien durch pyrometallurgische und hydrometallurgische Verfahren recycelt werden. Größe, Gewicht und Komplexität dieser Batterien vervielfachen jedoch die Herausforderungen, die für eine effektive Wiedergewinnung der Minerale zu bewältigen sind. Die Recyclinganlagen gehen unterschiedlich an diese Aufgabe heran. Einige entscheiden sich dafür, die Batteriemodule aus den E-Fahrzeugen durch Teams aus Fachkräften von Hand zu zerlegen. Andere zerkleinern einfach die kompletten Batterien, die dabei in eine inerte Flüssigkeit getaucht sind, um die Zufuhr von Sauerstoff zu begrenzen und die Entzündungsgefahr zu verringern.

Trotz dieser Herausforderungen wird das Recycling von E-Fahrzeug-Batterien rasch immer effizienter. Innovationen wie die robotergestützte Demontage eröffnen hier neue Möglichkeiten für eine Anwendung im größeren Maßstab. Ein großtechnisches Batterierecycling ist ein immer wichtigerer Forschungsbereich, da die Anzahl der Batterien, die künftig recycelt werden müssen, proportional zur Rekordzahl der Elektrofahrzeuge auf den Straßen ansteigt. Hinzu kommt die wachsende Bedeutung von Batterien als Energiespeicher. 

Um den schnell wachsenden Bedarf an E-Fahrzeug-Batterien zu decken, wird eine stabile Lieferkette benötigt, die sämtliche Prozesse in Bergbau, Herstellung, Montage und Recycling umfasst. Darüber hinaus muss die Batterieindustrie einen reibungslosen Fluss von Komponenten und Materialien über geografisch weit verstreute Regionen hinweg sicherstellen, um eine effiziente Produktion der Batterien aufrechtzuerhalten. 

Der Übergang zur Elektromobilität ist mit Herausforderungen verbunden, aber er ist ein entscheidender Baustein in den weltweiten Bemühungen, die CO₂-Emissionen zu reduzieren und die Treibhausgase in der Atmosphäre zu begrenzen. Nachhaltige Lösungen für die Herausforderungen der Lieferkette für Elektrofahrzeuge erfordern verantwortungsvolle Verfahren zur Rohstoffbeschaffung, die Minimierung der Umweltauswirkungen durch den Bergbau, eine konsequente Qualitätskontrolle bei Herstellung und Montage und weitere Investitionen in Technologien für das Batterierecycling.