Elektroauto Chronik eines Irrtums

Lithium-Ionen-Akku

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Aktualisiert 27.2.2019

Wegbereiter Sony. Der japanische Sony-Konzern hat 1991 die erste Lithium-Ionen-Batterie auf den Markt gebracht: Ein substantieller Teil der Kathoden wird seither aus Lithium-Kobaltoxid hergestellt.1

Brandgefahr (1). Im Sicherheitslabor des Ulmer Zentrums für Solar- und Wasserstoffforschung (ZSW) werden Lithium-Ionen-Akkus geprüft. Die beiden Pole in den Akkus sind Anode und Kathode, dazwischen liegt ein Separator, der einen Kurzschluss vermeidet und nur Lithium-Ionen durchlässt. Gerade bei sehr kompakt gebauten Akkus erhöht sich die Gefahr eines Kurzschlusses. „So häuften sich vor einigen Jahren Meldungen über explodierende Handys und Laptops. Deshalb muss der Boeing-Dreamliner wegen Problemen mit den Batterien derzeit am Boden bleiben. (…) Wird eine Lithium-Zelle sehr heiß, schmilzt nämlich der Kunststoff-Separator, der Plus- und Minuspol trennt – es kommt zu internen Kurzschlüssen. Dann wird es gefährlich.“2
Beim Elektroauto kommt es hier zu einem Zielkonflikt: Gewünscht wird eine möglichst hohe Energiedichte für große Reichweiten, also möglichst viel Wattstunden (Wh) pro Kilogramm Akku. Andreas Gutsch vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT): „Ein Elektroauto benötigt für die Reichweite von 150 Kilometern etwa 20 Kilowattstunden.“2 Für diese 150 Kilometer wiegt das Akkupaket bei einer Energiedichte von 100 Wh pro Kilogramm schon 200 Kilogramm.2

Brandgefahr (2). Je höher die Energiedichte ist, umso höher ist auch die Brandgefahr. Dadurch werden auch die Hoffnungen auf immer leistungsfähigere Akkus begrenzt. Die Tesla-Akkus hatten schon 2014 eine Energiedichte über 200 Wattstunden pro Kilogramm. „Unter Experten haben die adaptierten 18.650-Zellen aus der Konsumenten-Elektronik jedoch einen zweifelhaften Ruf. ‚Eine gute Zelle hat heute das Sicherheitslevel vier. Die Tesla-Zellen, die sehr stark auf Energiedichte optimiert sind, haben Level sieben. Beim Nageltest, der das Batteriegehäuse durchschlägt, kommt es also leicht zum Kurzschluss‘, erklärt Joachim Fetzer, der bei Bosch für die Elektrifizierung zuständig ist.“3

Brandgefahr (3). Auch Unfälle und Kollisionen können Brände herbeiführen. „Bei Temperaturen von mehr als 140 Grad verlieren die heutigen Kunststoff-Separatoren, die Plus- und Minuspol in der Batterie trennen, ihre Stabilität. Eine derartige Kernschmelze kann fatale Folgen haben: In Lithium-Ionen-Batterien steckt nicht nur brennbares Material, sondern auch chemisch gebundener Sauerstoff. Mit Wasser lässt sich ein solches Batteriefeuer nicht löschen.“4

Mai 2016: Giftiger Elektroschrott. Das grüne und umweltfreundliche Elektroauto ist in vielerlei Hinsicht eine Illusion, nicht zuletzt wegen seiner Akkus. Die bedeuten nicht nur einen beachtlichen „CO2-Rucksack“, sondern auch ein Entstehungs- und ein Entsorgungsproblem. „Die Entsorgung der großen (und rohstoffintensiven) Lithium-Ionen-Batterien ist derzeit noch problematisch, und mehr Elektroautos würden erst einmal auch bedeuten: mehr giftiger Elektroschrott.“5
Und je mehr von diesem Elektroauto-Schrott anfällt, umso problematischer wird die Entsorgung.

Juni 2016: Die Leistungsdichte von Lithium-Ionen-Akkus erhöht sich aktuell pro Jahr um zehn bis 20 Prozent. Der koreanische LG-Konzern will bis 2022 die Preise für Lithium-Ionen-Zellen von 2016 bis 2022 um 40 Prozent auf 100 Euro pro Kilowattstunde senken.5

Mercedes machte zu und kauft dazu. Lithium-Ionen-Zellen werden vor allem in Asien produziert. „Ungefähr 95 Prozent des Marktes wurde laut McKinsey & Company im Jahr 2015 von neun Playern produziert. Führend sind dabei die Japaner (Panasonic/Sanyo, AESC, Mitsubishi/GS Yuasa) und die Südkoreaner (LG Chem, Samsung). Auch Chinas BYD zählt zu den größten Herstellern, rüstet aber überwiegend die eigenen E-Autos und Elektrobusse aus. Daimler setzt bislang klar auf die Strategie des Zukaufs. (…) Zugekaufte Zellen werden zu Akkus verdrahtet und mit Kühlung und elektrischer Steuerung versehen. Auch BMW und VW/Audi integrieren zurzeit Zellen von Samsung, Sanyo oder LG Chem selbst zu Akkupacks. Wie Bosch oder Conti.“6

Akkus aus Osteuropa. Durch den schleppenden Absatz von Elektroautos gab es 2016 bei den Lithium-Ionen-Akkus ein Überangebot und damit verbunden einen Preisverfall. Die Batterieproduzenten hoffen trotzdem auf steigende Nachfrage und bauen die Kapazitäten weiter aus. Die südkoreanischen Produzenten wollen deshalb Fabriken in Osteuropa errichten.7
Dort wird vor allem Kohlestrom erzeugt. Das geht leider wiederum in keine CO2-Bilanz der Elektroautos ein – und der Akku ist sein stromintensivstes Bauteil.

Tausende Kleinzellen. Tesla baute in seine Modelle Rundzellen vom Typ 18650 mit 18 Millimeter Durchmesser und 65 Millimeter Länge ein, die früher auch in Laptops verwendet wurden. Diese haben eine Energiedichte von 250 bis 270 Wattstunden pro Kilogramm. Die 7000 Panasonic-Akkus in den Tesla-Modellen S und X wiegen etwa 700 Kilogramm. Tesla gewährt für sein Modell S eine Garantiegrenze von acht Jahren bzw. 1000 Ladezyklen.8
Andere Autohersteller erreichten nur 150 bis 160 Wh pro kg. Die 33-kW-Batterie des BMW i3 kommt auf 170 Wh/kg und damit auf eine Reichweite von 300 Kilometer.8
GM setzt „Pouch-Zellen“ ein, die sich beim Schnellladen stärker erhitzen. „Der Ampera-e beschränkt die Ladeleistung deshalb auf 50 Kilowatt. Das Schnellladen dauert mehr als doppelt so lange als bei den Tesla-Modellen.“9

Neue Batterien. Die schweizerische Materialforschungsanstalt Empa und die Universität Genf präsentierte 2017 eine neue Natrium-Feststoff-Zelle mit einem festen Elektrolyt. „Diese Komponente jeder Batterie hat die Aufgabe, Plus- und Minuspol gleichzeitig räumlich zu trennen und zu verknüpfen. Es darf einerseits keinen Kurzschluss geben, andererseits müssen die Träger der positiven Ladung, die Natrium- oder Lithium-Ionen, im Inneren der Batterie von der einen zur anderen Seite gelangen können. Diese Trennung erledigt in den aktuell üblichen Batterien, vom E-Mobil bis zum iPhone, eine flüssige Schicht.“10 Ein fester Elektrolyt kann wesentlich dünner sein und dadurch die Energiedichte erhöhen. Allerdings erhöht sich auch hier die Brandgefahr und verringert sich die Ladegeschwindigkeit.10

Noch mehr Lithium. „Um Gewicht loszuwerden, würden Entwickler am liebsten in alle drei Komponenten Lithium einbauen. Auch die Anode soll in Zukunft aus Lithium bestehen, und zwar dem reinen Metall ohne zusätzliche Struktur. (…) Erste Batterien, die nach dem Konzept ‚Dreierlei vom Lithium‘ funktionieren, sind bereits auf dem Markt. In Frankreich produziert der Industriekonzern Bolloré seit Jahren Lithium-Metall-Batterien mit einem Kunststoff-Elektrolyten und betreibt damit Elektrobusse und das Elektroauto Bluecar. Der Kleinwagen fährt 250 Kilometer weit mit dem Strom aus seiner 300-Kilogramm-Batterie.“11 Diese Akkus müssen aber permanent auf 70 Grad Celsius erhitzt werden, verbrauchen also auch bei Stillstand Strom. Dafür enthalten sie nicht den wegen Kinderarbeit und Kriegen in Verruf geratenen Rohstoff Kobalt aus dem Kongo.11

Dyson lädt mit. „Ionic Materials aus Woburn in Massachusetts will mit einem Polymer-Elektrolyten die herkömmlichen Alkali-Batterien für Taschenlampen wiederaufladbar machen und in der Elektromobilität etablieren. Sakti3 in Ann Arbor in Michigan wurde vor zwei Jahren von dem bekannten britischen Erfinder James Dyson gekauft. Er will nun rund um eine Festkörperbatterie ein Elektroauto entwickeln und damit von 2020 an den Marktführer Tesla angreifen. Zwei Milliarden Euro investiert er angeblich in den Versuch.“11

Kälteunempfindlich und energieschwach. Neue wiederaufladbare Akkus wurden im Frühjahr 2018 in China vorgestellt. Sie sollen auch bei minus 70 Grad funktionieren, während Lithium-Ionen-Akkus bei minus 40 Grad Celsius nur noch 12 Prozent Leistung abgeben.11 „Für Wintereinsätze in Kanada oder Russland reicht das nicht. (…) Um dieses Problem zu lösen, gibt es verschiedene Ansätze: Eine Möglichkeit sind Zusätze im Elektrolyten, jener Flüssigkeit, in der die elektrisch geladenen Teilchen sich bewegen. Ein anderer Weg führt über die Isolierung und äußerliche Erwärmung der Lithium-Ionen-Zellen. (…) Das Team um Xia suchte zunächst nach einem geeigneten Elektrolyten. Sie nahmen die organische Substanz Ethylacetat als Basis, da sie erst bei minus 84 Grad Celsius gefriert. In die Ethylacetat-Lösung gaben die Forscher eine kleine Menge eines Lithiumsalzes, LiTFSI. Es wird beim Laden in positive und negative Ionen aufgespalten.“12

Mehr Energie. Im Jahr 2017 wurden 25.056 Elektroautos in Deutschland zugelassen. „Trotzdem herrscht bei den Herstellern Euphorie, was die Zukunft der Elektro-Pkw betrifft. (…) ‚Im Augenblick sind Lithium-Ionen-Batterien der Maßstab, denn sie bieten in Summe die besten Eigenschaften, was Energie, Lebensdauer, Kosten, Sicherheit und Leistung betrifft‘, sagt Martin Winter, Professor für Materialwissenschaften, Energie und Elektrochemie an der Universität Münster und Doyen der deutschen Batterieforschung. ‚Zudem halte ich eine Verdoppelung des Energiegehalts in den kommenden sieben Jahren für realistisch.‘ Solche Prognosen lassen die Verkaufsfantasien der Hersteller natürlich aufblühen. Wenn in Kürze Elektroautos mit einer Batterieladung 500 oder 600 Kilometer weit fahren würden, wäre ein zentrales Argument der Strom-Skeptiker entkräftet. (…) Aktuell gilt die sogenannte Feststoffbatterie als Wunder-Akku der Zukunft. Das US-Start-up Ionic Materials, bei dem erst kürzlich die Renault-Nissan-Mitsubishi-Allianz eingestiegen ist, hat ein festes Polymer als Elektrolyt entwickelt. Vereinfacht gesagt, wird der Akku dadurch sicherer (weil die Brandgefahr gegen null geht), billiger und haltbarer.“13

Dominic Bresser in Spektrum der Wissenschaft: „Die genaue Zusammensetzungen der verwendeten Elektrolyte gehören jedoch zu den am besten gehüteten Geheimnissen der Batteriehersteller.“14

Sicherheit oder Reichweite. „Dass Autos ohne Verbrennungsmotor in Flammen aufgehen, klingt überraschend. Genau das passierte aber, als kürzlich ein deutscher Tesla-Fahrer auf einer Schweizer Autobahn in die Leitplan­ke schleuderte und tödlich verunglückte. Auf­nah­men der Bergungsarbeiten zeigen den havarierten Wagen in einem Flammenmeer. Er brannte ebenso aus wie ein zwei Tage zuvor in Florida verunglückter Tesla, in dem zwei Insassen beim Aufprall gegen eine Wand ums Leben gekommen waren. Ob die Flammen Todesursache waren, konnte bisher in keinem der Unglücksfälle geklärt werden. Unstrittig ist aber, dass Lithium-Ionen-Akkus brandgefährlich sein können; ihr Elektrolyt enthält leicht entzündliche organische Verbindungen. Fest steht auch, dass Tesla einen Batterietyp mit einer Nickel-Cobalt-Aluminiummischung (NCA) an der Kathode einsetzt, der sehr hohe Energiedichten speichert, sich im Fall einer Beschädigung der Zellen aber auch rasch und heftig entflammen kann. Üblicherweise setzen die meisten anderen Hersteller von Elektromobilen deshalb bei ihren Großakkus auf weniger energiehaltige, dafür weniger entzündliche Nickel-Mangan-Verbindungen – geringere Reichweite, mehr Sicherheit. Bereits im Jahr 2014 hatte eine Folge von Feuerunfällen Tesla zur Nachrüstung einer Titanplatte im Bodenbereich des Model S bewogen, die eine Gefahr einer Beschädigung der tiefliegenden Akkus vermindern soll.“15

Brandquelle Lithium-Ionen-Akku. Funkensprühendes iPhone, qualmendes iPad, explodierendes Powerpack: Die Ursache sind die Lithium-Ionen-Akkus. „Etwa drei Mal im Monat verzeichnen allein die amerikanischen Behörden derzeit einen Zwischenfall, bei dem ein elektronisches Gerät im Flugverkehr überhitzt, raucht, explodiert oder Feuer fängt. In Deutschland zählte das Luftfahrtbundesamt 2017 drei solcher Überhitzungen.“16 Deshalb wird nach neuen Elektrolytflüssigkeiten gesucht, die weniger brandgefährlich sind.

Ersatz von Lithium und Kobalt. Daran wird gearbeitet, vorerst nur in Forschungslabors. Ersatzstoffe wären Natrium, Magnesium, Schwefel, etc.1

Über 50 Prozent der Batterien verschwinden. Das Freiburger Öko-Institut hat für Lithium-Ionen-Batterien im Oktober 2018 festgestellt, dass über 50 Prozent der Gerätebatterien nicht gesammelt und damit nicht auch recycelt wird. Jährlich landen rund 35.000 Tonnen Batterien im Hausmüll. „Elektroautos, Drohnen, Gabelstapler – selbst in Staubsaugerrobotern gibt es sie: Lithium-Ionen-Batterien wirken sich auf immer mehr Bereiche des Lebens aus.“17 Der Hauptautor der Studie, Hartmut Stahl: „„Trotz der zunehmenden Bedeutung von Lithium-Ionen-Batterien in neuen Technologien wie in Pedelecs, gibt es für sie weder eigene Sammel- noch separate Recyclingziele … Eine verbesserte Richtlinie muss hier ansetzen – etwa mit ambitionierten Vorgaben für Schlüsselelemente wie Lithium und Kobalt.“ Zur Pressemitteilung: hier. Zur Studie: hier

Kein Marktwert von Lithium-Ionen-Akkus. Der Batterieexperte des Umweltbundesamtes (UBA), Falk Petrikowski, fällte im November 2018 ein vernichtendes Urteil über das Recycling der Akkus: „Alte Lithium-Ionen-Akkus haben anders als von vielen erwartet keinen Marktwert. Das Recycling ist teuer, unter anderem wegen der vielen Inhaltsstoffe und der kompletten Demontage der uneinheitlichen E-Auto-Antriebsbatterien. Die Einnahmen durch den Verkauf der recycelten Stoffe wiegen die Kosten für Sammlung, Demontage und Recycling nicht auf.“18
Vulgo: Das Gefahrengut Lithium-Ionen-Akkus aus Elektroautos landet im Sondermüll – oder auf wilden Müllplätzen in Afrika oder Asien …

Lösung Fluoridionenakkus? Als neue Lösung gilt der Fluoridionenakkus, der achtmal so viel Energie speichern können soll wie ein gleich großer Lithium-Ionen-Akku. Zunächst funktionierte er nur bei über 150 Grad Celsius. Nun ist es einer Arbeitsgruppe am Jet Propulsion Lab am Caltech gelungen, die neue Batterie bei Raumtemperatur arbeiten zu lassen mit einer neuen Lösung: „Eine Kombination eines Fluorids mit einem Lösungsmittel, das große Konzentrationen Fluorid löst, das Ion gut leitet und bei der recht hohen Spannung in der Batterie nicht selbst zersetzt wird. Gleichzeitig mussten die elektrischen Anschlüsse auf die neue Elektrolytlösung zugeschnitten werden – mit einer Hülle aus Lanthantrifluorid, das verhindert, dass sich der Kupferkern auflöst.“19

Entzündliche Lithium-Ionen-Akkus. Ende August 2018 entzündete sich ein ausgebauter Lithium-Ionen-Akku in einem Keller in Ochsenfurt und explodierte.20 Ende Oktober 2018 entzündeten sich die Akkus eines Elektrorollers in Münstertal/Schwarzwald. Als Ursache gelten Überladung oder Tiefentladung.21 Nach Zahlen des UBA hat sich die Menge der Lithium-Ionen-Akkus zwischen 2009 und 2017 von 3300 Tonnen auf über 10.000 Tonnen verdreifacht. Problematisch ist auch der Brand eines Elektroautos (wie anderer Autos auch) in der Tiefgarage: vor allem weil laut Feuerwehr viele größere Fahrzeuge auf den kleineren Normparkplätzen von 2,5 x 5 Meter sehr eng beieinander stehen.21

Lithiumbatterien = Gefahrengut“. In München-Moosach hatte der Abfallwirtschaftsbetrieb München (AWM) versuchsweise Depotcontainer für Elektrokleingeräte aufgestellt. Sie werden nun wieder abgebaut. Grund ist eine Verschärfung der Bestimmungen. Elektrogeräte enthalten oft Lithiumbatterien, und diese gelten als Gefahrengut. Deshalb müsste das Sammelgut frei von ihnen sein, und das ist nicht gewährleistet.22

Weltmarkt-Führer. Marktanteile Lithium-Ionen-Akkus, 1. Quartal 2018: 1) Panasonic Sanyo Japan 21,1 %; 2) CATL China 14,4 %, 3) BYD China 10,9 %, 4) LG Chem Südkorea 10,5 %, 6) Samsung Südkorea 5,5 %, 7) Sonstige 37,3 %.23

CATL in Erfurt. CATL will 240 Millionen Euro investieren, 600 Arbeitsplätze schaffen und plante zunächst eine Gigafactory mit einer Kapazität von 14 GWh errichten: Damit könnte man über 300.000 BMW i3 mit Akkus versehen. Die aktuelle Planung liegt schon zwischen 60 und 100 GWh. Die Beratungsfirma P3 schätzt, dass sich die Zahl der Elektroautos von 2018 bis 2025 um den Faktor zehn erhöht – auf jährlich 30 Millionen. Damit wird der Bedarf an Akkus ähnlich steigen: Im Jahr 2025 auf über 1200 GWh. Aktuell werden etwa 70 Gigafactorys weltweit gebaut; allein in China 46.24

Brand in Garchinger Batteriefabrik. Am 25.2.2019 sind gegen 10.30 Uhr in einer Lagerhalle der Garchinger Batteriefabrik Invenox 600 Kilogramm Lithium-Ionen-Energiespeicher in Brand geraten. Anwohner wurden gewarnt und sollten Fenster und Türen schließen. Die B 471 musste komplett gesperrt werden. Um 11.30 gab die Feuerwehr Entwarnung.25

Fußnoten und Quellen:
  1. Breuer, Reinhard, Weg vom Lithium, in SZ 15.10.2018 [] []
  2. Purtul, Güven, Brandsatz im Laptop, in SZ 7.3.2013 [] [] []
  3. Becker, Joachim, Warten auf das Batterie-Wunder, in SZ 19.9.2015 []
  4. Becker, Joachim, Zu schnell müde, in SZ 27.4.2010 []
  5. Fromm, Thomas, Der große Widerspruch, in SZ 10.5.2016 [] []
  6. Becker, Joachim, Die nachgeholte Revolution, in SZ 25.6.2016 []
  7. Lamparter, Dietmar H., Die Zelle macht den Unterschied, in Die Zeit 4.8.2016 []
  8. Becker, Joachim, Giga muss nicht gaga sein, in SZ 20.8.2016 [] []
  9. Becker, Joachim, Wahnsinn mit Methode, in SZ 20.8.2016 []
  10. Becker, Joachim, Lego-Strategie gegen Elon Musk, in SZ 27.5.2017 [] []
  11. Schrader, Christopher, Volle Ladung, in SZ 6.12.2017 [] [] [] []
  12. Diese Batterie funktioniert auch bei minus 70 Grad, in spiegel.de 7.3.2018 []
  13. Pander, Jürgen, Wer baut den Akku der Zukunft? in spiegel.de 22.3.2018 []
  14. Bresser, Dominic, Energiespeicher für eine elektromobile Gesellschaft, in Spektrum der Wissenschaft 5.18.4.2018 []
  15. Wüst, Christian, Mehr Sicherheit, weniger Reichweite, in Der Spiegel 21/19.5.2018 []
  16. von Eichhorn, Christoph, Heiße Ladung, in SZ 13.8.2018 []
  17. Pressemitteilung Öko-Institut, EU-Sammelquote: Über die Hälfte aller Gerätebatterien verschwindet, Freiburg 31.10.2018 []
  18. Becker, Joachim, Dreckige Wahrheit, in SZ 25.11.2018 []
  19. Fischer, Lars, Neuer Akkutyp nimmt Temperatur-Hürde, in spektrum.de 11.12.2018 []
  20. Nöth, Ansgar, Kellerbrand weil E-Bike-Akku explodiert, in www.br.de 28.8.2018 []
  21. Kirschner, Sebastian, Wehe, wenn der Akku friert, in SZ 28.12.2018 [] []
  22. Naujokat, Anita, Sammeln abgeblasen, in SZ 17.1.2019 []
  23. Ohne Energie, in SZ 26.1.2019 []
  24. Jung, Alexander, Akkus für Millionen, in Der Spiegel  8/16.2.2019 []
  25. Kania, Patricia, Brand bei Batteriehersteller, in merkur.de 25.2.2019; Ott, Helena, Entwarnung nach Feuer in Fabrik, in sueddeutsche.de 25.2.2019; Brand in Garchinger Batteriefabrik, in SZ 26.2.2019 []
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