Reichhaltig vorkommende Batterierohstoffe im Fokus

Unser Nachhaltigkeitsquartett geht in die nächste Runde

In der komplexen Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien sind zahlreiche Rohstoffe von entscheidender Bedeutung. Diese können je nach Verfügbarkeit in kritische und reichlich vorhandene Rohstoffe unterschieden werden. Im Rahmen unserer Informationskampagne »Skill & Scale up« haben wir die kritischen Rohstoffe genauer unter die Lupe genommen. In diesem Blogbeitrag konzentrieren wir uns auf die reichlich vorhandenen Rohstoffe: Aluminium, Eisen, Phosphat, Kupfer und Natrium.

Ein Bild, das ein Periodensystem zeigt
© Fraunhofer FFB
Für die Batterieproduktion kritische Rohstoffe wie Lithium sind in der Erdkruste nur in geringen Mengen vorhanden.
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Aluminium

Aluminium, als das dritthäufigste Element und das häufigste Metall in der kontinentalen Erdkruste, spielt eine bedeutende Rolle in vielfältigen Anwendungen. Das Leichtmetall ist ein beliebter Werkstoff und kann elementar, in Legierungen oder in Salzen verwendet werden. In Batteriezellen erfüllt es dabei gleich mehrere Funktionen: als Stromleiter sowie als Gehäusematerial, insbesondere bei prismatischen Zellen.

Obwohl Aluminium in verschiedensten Mineralien vorkommt, wird für die industrielle Herstellung Bauxit verwendet. Weltweit werden jährlich hunderten Millionen Tonnen des Erzes abgebaut. Trotz seiner Häufigkeit wird Bauxit als kritischer Rohstoff eingestuft. Dies resultiert aus seiner wirtschaftlichen Bedeutung und der Gefahr von Lieferengpässen.

In einem mehrstufigen Prozess werden zunächst unter hohem Einsatz von Chemikalien und Energie der eisenhaltige Anteil des Erzes und weitere Verunreinigungen abgetrennt. Das gewonnene Aluminiumoxid kann dann in einer Schmelzflusselektrolyse, also durch Reduktion mit Strom, zu Metall verarbeitet werden. Durch den Einsatz von Chemikalien im Herstellungsprozess entstehen erhebliche Abfallmengen, die Hochtemperaturprozesse und die Elektrolyse benötigen große Mengen an Energie. Aufgrund hoher Recyclingquoten kann Aluminium jedoch auch mit deutlich weniger Energie wiederverwendet werden muss – allerdings ist dies mit Salzschlacke als Abfallprodukt verbunden.

Eisen

Eisen ist nach Aluminium das zweithäufigste Metall in der kontinentalen Erdkruste und wird in Batterien insbesondere als Bestandteil des LFP-Kathodenmaterial verwendet. LFP steht hier für Lithium-Eisen-Phosphat. Eisenerz ist in Form verschiedener Mineralien weltweit verfügbar und daher kein kritischer Batterierohstoff. Überwiegend im Tagebau gewonnen und anschließend zerkleinert, muss Eisenerz zur Herstellung von Eisen in energieintensiven Prozessen chemisch reduziert werden. Anschließend kommt es hauptsächlich in der Stahlindustrie zum Einsatz. Auch die Synthese von Eisenphosphat und LFP, dem Folgeprodukt für Batteriezellen, erfordert einen weiteren Chemikalieneinsatz.

Generell ist Eisen aufgrund seines häufigen Vorkommens, seiner Eigenschaften und des geringen Preises das weltweit am meisten genutzte Metall für verschiedenste Anwendungen und Produkte. Der Einsatz als Batterierohstoff stellt nur einen minimalen Anteil dar.

© Fraunhofer FFB
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Phosphat

Phosphor wird in Batteriezellen mit LFP-Kathoden verwendet. Hierbei wird es nicht in elementarer Form, sondern als Phosphat eingesetzt, genauer: als Lithiumeisenphosphat. Apatit, ein bedeutendes Phosphat, gilt als primäre Erzquelle für die Phosphorherstellung und wird von der EU aufgrund seiner strategischen Bedeutung als kritischer Rohstoff eingestuft. Die größten Vorkommen von Phosphat-Mineralien befinden sich in Nordafrika (Marokko, Westsahara), China und den USA.

Phosphor kann durch Erhitzung in sogenannten Lichtbogenöfen oder aus Klärschlamm gewonnen werden. Ähnlich wie bei der Gewinnung von Metallen aus Erzen, muss auch bei der Phosphatgewinnung eine Abtrennung der ungewünschten Bestandteile und eine Reinigung erfolgen. Dies ist im Vergleich zur Metallgewinnung aus Erzen mit einem mäßigen Einsatz von Chemikalien und Energie verbunden. Problematisch sind insbesondere Cadmiumanteile oder radioaktive Metalle. Eine Gewinnung von Phosphataus Klärschlamm als Alternative zu Erzen ist ebenfalls möglich, aber bei weitem nicht wirtschaftlich so relevant.

Die Verwendung in LFP-Kathoden ist für Phosphat eher zweitrangig, primär wird es als Düngemittel eingesetzt. Allerdings kann es auch in Waschmitteln oder Nahrungsmitteln genutzt werden, letzteres ist unter anderem in Form von Phosphorsäure als Säuerungsmittel in Cola-Getränken bekannt. Für Menschen Phosphat ist somit nicht giftig – Zahnschmelz besteht größtenteils daraus und auch der Stoffwechsel nutzt Phosphate als Energieträger. Als Düngemittel kann eine Überdüngung jedoch zu Umweltschäden führen.

Kupfer

Seit Jahrtausenden im Gebrauch, verleiht Kupfer einem Abschnitt der Steinzeit seinen Namen, in dem es erstmals als Element abgebaut wurde – die Kupferzeit (5500-2900 v.Chr.). Als einziges farbiges Metall neben Gold findet Kupfer aufgrund seiner vielseitigen Eigenschaften als Strom- und Wärmeleiter jährlich in Millionen Tonnen Anwendung. Lediglich Eisen und Aluminium werden weltweit in größeren Mengen abgebaut. Seit 2023 wird Kupfer von der EU als kritischer Rohstoff eingestuft.

Seine Gewinnung aus Erzen, in denen Kuper häufig zusammen mit anderen Übergangsmetallen, wie Eisen oder Cobalt, vorkommt, erfordert erhebliche Mengen an Energie und Chemikalien. Außerdem entstehen aus den sulfidischen Erzen bei der Kupferherstellung große Mengen an CO2 und Schwefeldioxid (SO2), die für Umwelt und Menschen schädlich sind und daher aufwendig abgetrennt werden müssen. Einmal als reines Kupfer vorliegend, kann das Metall jedoch vollständig recycelt werden. Trotz dieser Recyclingmöglichkeit ist aufgrund des wachsenden Bedarfs, insbesondere durch die Anwendungen im Kontext der Energiewende, eine vollständige Kreislaufwirtschaft derzeit nicht absehbar: Die Nachfrage kann nicht allein durch recyceltes Kupfer gedeckt werden. In Batteriezellen wird Kupfer häufig als Stromleiter auf der Kathodenseite genutzt, da es im Gegensatz zu Aluminium nicht mit den Anodenmaterialien reagiert. 

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Natrium

Die Entwicklung von Natrium-Ionen-Batterien (SIBs) als vielversprechende Alternative zu den weitverbreiteten Lithium-Ionen-Batterien (LIB) rückt den Rohstoff Natrium verstärkt in den Fokus der Batteriezellherstellung. Im Gegensatz zu Lithium wird Natrium nicht metallisch, sondern als Ion genutzt, und ist in natürlicher Form vorhanden. Mit nahezu unerschöpflichen Vorkommen in der kontinentalen Erdkruste und im Meerwasser ist durch die Verwendung von Natrium statt Lithium eine gesicherte Rohstoffversorgung möglich. Allerdings gestaltet sich der chemische Ersatz unter ansonsten gleichen Zellchemien als aktuelle Herausforderung, weshalb sich SIBs derzeit noch in der Entwicklung befinden, während der Markt von LIBs dominiert wird.

Trotz dieser Herausforderung bieten Natrium-Ionen-Batterien einige vielversprechende Vorteile. Aufgrund der natürlichen Vorkommen von Natriumionen in verschiedenen Mineralien wie Natriumchlorid, Natriumcarbonat oder Natriumnitrat gestaltet sich die Rohstoffgewinnung vergleichsweise simpel und wenig problematisch. Diese Mineralien können entweder bergmännisch oder aus Meerwasser, hauptsächlich in Form von NaCl, gewonnen werden. Besonders Natriumchlorid stellt eine bedeutende Rohstoffquelle dar und wird entweder direkt verwendet oder in andere Natriumverbindungen umgewandelt. Der metallische Anteil von Natrium, der mittels Schmelzflusselektrolyse gewonnen wird, macht nur einen geringen Teil aus.

Entgegen ihren vielversprechenden Eigenschaften weisen SIBs gegenüber LIBs eine geringere Energiedichte bzw. ein höheres Gewicht pro Kilowattstunde auf, was ihren Einsatz in Elektrofahrzeugen erschwert. Nichtsdestotrotz könnte die einfache, kostengünstige und globale Verfügbarkeit von Natriumchlorid, das zudem ungiftig ist, es zu einem vielversprechenden Kandidaten machen, Lithiumionen in Batteriezellen zu ergänzen oder sogar zu ersetzen. Die weitere Forschung und Entwicklung im Bereich der Natrium-Ionen-Technologie wird entscheidend sein, um ihre Wettbewerbsfähigkeit auf dem Markt zu stärken.

Zur Erinnerung: Die kritischen Rohstoffe als Quartettkarten

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Beispiele und Angebote zum Nachhaltigkeitsmanagement an der Fraunhofer FFB

Unsere Vision

Batterien für eine defossilisierte, mobile Gesellschaft

Klimastadt Münster

Teilnahme an der Klimastadt-Woche

Wir kooperieren mit der Stadt Münster und unseren Partnern vor Ort, um lokale Nachhaltigkeitsziele zu erreichen.

 

Pressemitteilung / 28.9.2023

Studienveröffentlichung in der Fachzeitschrift »Nature Energy«

Neue Studie analysiert den Energieverbrauch von Gigafactories.

 

Unsere Kompetenz

Stoffkreisläufe und Nachhaltigkeit

Wir erforschen Innovationen, die zu einer nachhaltigeren Batteriezellproduktion führen – Von der Wertschöpfungskette, über die Herstellung bis hin zur Zellchemie.