Lithium-Ionen-Akkus Nicht nur Lithium-Ionen-Batterien: Akku-Typen und ihr Zukunftspotenzial

Dynamisch wachsender Markt

Akkus sind aus dem modernen Leben nicht mehr wegzudenken. Ohne sie geht im wahrsten Sinne kaum noch was. Weder im großen Kontext, etwa bei der Stabilisierung des Stromnetzes, der Elektrifizierung des Verkehrs, in industriellen Produktionsprozessen oder der Wirtschafts- und Energieerzeugungsinfrastruktur insgesamt. Noch im kleineren Maßstab, also im alltagspraktischen Umgang mit Smartphone oder Laptop, E-Auto oder E-Bike und den verschiedensten Haushalts-, Handwerks- und Gartengeräten. Als wiederaufladbare Energiespeicher und -quelle sind Akkus und Batterien so unentbehrlich wie allgegenwärtig.

Und das weltweit und mit dynamisch steigender Tendenz. Bis 2030 wird dem globalen Batteriemarkt ein Wachstum um jährliche 34% vorhergesagt. Auch der deutsche Markt wächst. Allein für das nächste Jahr darf die heimische Branche der Batterie- und Akku-Hersteller mit einem Umsatz von 4,52 Milliarden Euro rechnen. Das setzt einen Trend fort: 2023 wurde gegenüber dem Vorjahr ein Plus von 32% erwirtschaftet (das entspricht 5,6 Milliarden Euro) und der Branchengesamtumsatz somit auf 23,2 Milliarden Euro gesteigert.

Wachstumstreiber, auch im internationalen Ranking, sind bisher hauptsächlich Lithium-Ionen-Batterien (Umsatz 2023 in Deutschland: 18,9 Milliarden Euro). Das hat zum einen gute Gründe, wird auch noch für eine Weile so bleiben – sollte aber zum anderen nicht darüber hinwegtäuschen, dass global wie national von einem steigenden Bedarf an einem breiteren Spektrum für Akku- und Batterietypen auszugehen ist. Denn die Ansprüche werden komplexer, die Einsatzspektren spezifischer. Die Möglichkeiten innovativer Technologien sind noch lange nicht ausgeschöpft. Nach wie vor geht es um ein Maximieren wie auch Austarieren von Leistungsstärke, Lebensdauer und Sicherheit der Akkus. Und all das unter kreislaufwirtschaftlichen Prämissen. Der Blick richtet sich dabei im Wesentlichen auf:

• Fragen nach den zu verwendenden Materialien (woraus sollten unter Abwägung ökonomischer und ökologischer Anforderungen beispielsweise Kathode, Anode oder Elektrolyte gefertigt sein),
• Aspekte des Konstruktionsdesigns (d. h. Möglichkeiten einer effizient praktischen „Architektur“ des Akkus),
• Optimierungsmöglichkeiten der Akku-Leistungskraft und seiner Lebensdauer,
• Optimierungsmöglichkeiten von Sicherheitsaspekten und
• last but not least, das Recycling-Potenzial des Akkus.

Relevante Akku-Typen und ihre Vor- und Nachteile

Technologisch existieren derzeit im Wesentlichen folgende Akku-Typen:

• Lithium-Ionen-Akkus
• Lithium-Ion-Polymer-Akkus
• Lithium-NMC-Akku (Li-NMC)
• Lithium-Eisenphosphat-Akku (LFP)
• Blei-Vlies-Akkus
• Natrium-Ionen-Akkus
• Nickel-Cadmium-Akkus
• Feststoffbatterien

Berücksichtigt man die verschiedenen Variationen und Untergruppen und bezieht ein, dass einige Akku-Arten – wie beispielsweise Nickel-Cadmium-Akkus – aus Sicherheitsgründen inzwischen weitgehend vom Markt genommen wurden, lassen sich fünf Typen als besonders wirtschaftsrelevante Energieträger identifizieren. Auch wenn das (zukünftige) Potenzial dieser Akku-Typen im Hinblick auf ihre jeweiligen Vor- und Nachteile unterschiedlich bewertet werden kann, bleibt dennoch unbestritten, dass sie grundsätzlich über dieses Potenzial verfügen. Es handelt sich dabei um folgende Akku-Typen:

1. Lithium-Ionen-Akku

Unter allen wiederaufladbaren Energiespeichern gehören Lithium-Ionen-Akkus zu den weltweit am häufigsten frequentierten Technologien. Ihr Einsatzspektrum reicht von tragbaren Elektronikgeräten über Elektrofahrzeuge bis hin zu Energiespeichersystemen.

Vorteile:

• kostengünstig und energieeffizient
• hohe Energiedichte (ergo platz- und gewichtssparend, da sich viel Energie in kleineren und leichteren Akkus speichern lässt)
• geringe Selbstentladung
• lange Lebensdauer; die Akkus können mehrere Lade- und Entladezyklen durchlaufen, ohne dass ihre Leistungsstärke signifikant abnimmt

Nachteile:

• Empfindlichkeit gegenüber Tiefentladung und Überladung
• begrenzte Rohstoff-Verfügbarkeit bzw. hohe Kosten für die zur Herstellung benötigten Rohstoffe (Lithium, Kobalt, Nickel)
• Lithium ist hoch feuergefährlich; Überhitzung der Akkus kann zu Bränden führen

2. Lithium-Eisenphosphat-Akkus (LFP-Akkus bzw. LiFePO4-Akkus)

Wie Lithium-Ionen-Akkus kommen auch LFP-Akkus in verschiedenen Bereichen zum Einsatz (in Elektrogeräten und -fahrzeugen, stationären Energiespeichersystemen usw.). Speziell auf Grund des verwendeten Lithium-Eisenphosphats als Kathodenmaterial verfügen LFP-Akkus aber über Eigenschaften, die sie für Bereiche prädestinieren, die neben einer hohen Sicherheit auch eine lange Lebensdauer erfordern.

Vorteile:

• sind dank hoher thermischer und chemischer Stabilität resistenter gegen Überhitzung als Lithium-Ionen-Akkus
• gelten im Vergleich zu diesen als sicherer (Brandrisiko)
• LFP-Akkus verfügen über eine konstante Entladespannung (d. h. die Akku-Leistung wird über die gesamte Entladungsdauer stabil gehalten) und können somit ohne gravierende Leistungsminderung viele Lade- und Entlade-Zyklen durchlaufen

Nachteile:

• LFP-Akkus haben eine geringere Energiedichte als andere Lithium-Ionen-Batterien, d. h. sie benötigen mehr Platz, um die gleiche Menge an Energie zu speichern
• LFP-Fertigungsmaterialien und ihre Verarbeitung verursachen einen höheren Kostenaufwand
• niedrige Temperaturen können bei LFP-Akkus zur Leistungsminderung führen, was Einsatzmöglichkeiten unter den entsprechenden klimatischen Bedingungen begrenzt
• unsachgemäße Handhabe, mechanische Beschädigung oder Herstellungsfehler können auch bei LFP-Akkus zu Kurzschlüssen und Überhitzung und folglich Brandgefahr führen

3. Lithium-Polymer-Akkus (LiPo-Akkus)

Statt der sonst in Lithium-Ionen-Akkus obligaten flüssigen Elektrolyte [interner Link: Lexikon], werden in LiPo-Akkus feste oder gelartige Elektrolyte verwendet. Bei Konstruktions- und Bauweise ermöglicht das größere Flexibilität, was wiederum eine entsprechend erweiterte Breite an Einsatzmöglichkeiten generiert. Momentan finden LiPo-Akkus vor allem in tragbaren Elektronikgeräten, Drohnen und Elektrofahrzeugen Verwendung.

Vorteile:

• dank flexibler Bauformen (Größe, Design, Material) vielseitig gerätekompatibel
• sehr hohe Energiespeicherdichte (d. h. LiPo-Akkus sind auch im kleinen, kompakten Format leistungsstark)
  geringe Selbstentladung

Nachteile:

• empfindlich gegenüber mechanischen Einwirkungen, d. h. auch Beschädigungen können zu Kurzschlüssen, Überhitzung und Entzündungen führen (Brandgefahr)
• reagieren schnell mit verminderter Leistungskapazität bei Über- und Tiefentladung
• verfügen über vergleichsweise begrenzte Lebensdauer
• hohe Fertigungskosten aufgrund teurer Rohstoffe

4. Nickel-Metallhydrid-Akkus (NiMH-Akkus)

NiMH-Akkus finden sowohl in Haushaltsgeräten als auch in industriellen Kontexten Anwendung (Elektronikgeräte, Hybridfahrzeuge, erneuerbare Energiesysteme).

Vorteile:

• starke Energiedichte
• umweltfreundlich
• robust gegenüber mechanischer Einwirkung
• langlebig und kosteneffizient; können viele Lade- und Entladezyklen durchlaufen
• geringe Selbstentladung
• dank verschiedener Baugrößen und -formen (zylindrisch, prismatisch, als Knopfzellen usw.) sowohl in Haushaltsgeräten als auch industriellen Kontexten einsetzbar

Nachteile:

• geringere Energiedichte im Vergleich zu Lithium-Ionen-Akkus
• Empfindlichkeit gegenüber hohen Temperaturen (Leistungsminderung) und bei starker Überhitzung Brand- oder Explosionsgefahr
• können bei falscher Lagerung/Nutzung „auslaufen“, wobei schädliche Substanzen austreten

5. Natrium-Ionen-Akkus

Vielfach noch im technologischen Entwicklungsstadium, werden Natrium-Ionen-Akkus gleichwohl als realistische Alternative bzw. tragende Ergänzung zu Lithium-Technologien bewertet. Denn als natürlich vorhandenes und vor allem weit verbreitetes Element rückt Natrium bei der Suche nach nachhaltigen Energiespeicherlösungen immer stärker in den Fokus. Speziell Natrium-Ionen-Akkus wird dabei eine wichtige Zukunftsrolle bei der notwendigen Diversifizierung der Energiespeichertechnologien zugeschrieben.

Vorteile:

• Natrium ist als Rohstoff weit verbreitet
• anders als Lithium-Ionen- sind Natrium-Ionen-Akkus weniger anfällig für Temperatureinwirkungen bzw. Temperaturänderungen
• die höhere Temperatur-Resilienz wirkt sich positiv auf die Akku-Haltbarkeit wie auch Sicherheitsaspekte (Entzündungsgefahr) aus
• Natrium-Ionen-Akkus können in verschiedensten Anwendungsgebieten zum Einsatz kommen, sind aber aufgrund ihrer Eigenschaften für die stationäre Energiespeicherung und Verwahrung von Überschussenergie besonders gut geeignet. Zudem bietet sich ihr Einsatz überall dort an, wo Sicherheit und Leistungsfähigkeit erhöhte Priorität genießen müssen (z. B. bei medizinischen Geräten, der Luft- und Raumfahrttechnik usw.)

Nachteile:

• wegen ihrer geringeren Energiedichte gegenüber Lithium-Ionen-Akkus bedürfen Natrium-Ionen-Akkus eines größeren, kompakteren Gehäuses, sind also nur in Geräten mit entsprechender Platzkapazität einsetzbar
• auch wenn das Risikopotenzial insgesamt geringer ist, sind bei Natrium-Ionen-Akkus trotzdem Kurzschlüsse möglich, können Überhitzung und Brandgefahr drohen

Technologische Innovationen für die (nahe) Zukunft

Ob und wie zukünftig die wachsenden Bedürfnisse des Marktes nach wiederaufladbaren Energiespeichern gedeckt werden können, wird entscheidend davon abhängen, wie breit das Angebotsspektrum gefächert ist. Das wiederum hängt entscheidend davon ab, welche technologischen Innovationen und Entwicklungen marktfähig zum Tragen kommen. Den Ideen und Innovationen jedenfalls scheinen kaum Grenzen gesetzt.

Zwei Beispiele aus dem Kreativ-Pool:

Vom schon erwähnten Natrium hat sich ein kalifornisches Unternehmen gleich zum Firmennamen inspirieren lassen: Natron Energy entwickelt Natrium-Ionen-Batterien deren Zellen laut Unternehmen eine Lebensdauer garantieren, die die von Lithium-Ionen-Akkus um das zehnfache übertreffen sollen, sich außerdem in nur acht Minuten zu 99% aufladen können, über 50.000 Ladezyklen hinweg ihre Leistungskraft bewahren und thermisch auch noch außergewöhnlich stabil sind. Nachteil bleibt zwar auch hier die signifikant geringere Energiedichte gegenüber den Lithium-Ionen-Akkus, doch dürfte das bei einem zielgerichteten Einsatz der Batterien, etwa in Mikromobilitätsfahrzeugen, kaum ins Gewicht fallen. Dass hier niedrige Energiekosten Priorität vor hoher Reichweite haben, bringt dieser Natrium-Ionen-Technologie möglicherweise einen klaren Marktvorteil.

Ein weiteres Innovationsfeld findet sich in der Festkörperbatterie-Technologie (All Solid-Satet Battery, ASSB). 2022 hat ein Startup aus dem Silicon Valley einen Festkörperbatterie-Typ entwickelt, der in nur 15 Minuten bis zu 80% auflädt und einem Elektrofahrzeug erlaubt, mit nur einer solchen Ladung ganze 640 Kilometer zu fahren. Der Halbleiter ist so zwischen Anode und Kathode platziert, dass er die flüssige Elektrolytlösung ersetzt und einen Ionenfluss ohne die Gefahr von Kurzschlüssen ermöglicht. Ab 2025 soll diese Technologie marktfähig sein und bei Elektroautos zum Einsatz kommen.

Was sicher auch mit Blick auf etablierte Unternehmen wie Nissan oder Toyota notwendig ist. Beide forschen seit geraumer Zeit an Halbleiterbatterien, wobei explizit Toyota die Bemühungen nochmal intensiviert hat und im Rahmen eines 13,6 Milliarden Dollar teuren Forschungsprogramms für 2026 die Installation von Festkörperzellen in seinen Fahrzeugen angekündigt hat.

Die Aufzählungen ließen sich fortsetzen. Ob Fluoridbatterien für Elektrofahrzeuge (8000 km Reichweite mit einer einzigen Ladung), ob die aus Eisenoxidpulver und einer Wasserstoffmischung gefertigten Eisen-Luft-Zellen oder lieber aus Kohlefaser hergestellte „Strukturbatterien“ – die Zirkulation der technologischen Ideen, Experimente und Innovationen hat erst begonnen. Doch trifft das nicht nur für neue Batterie-Kreationen und möglicherweise revolutionäre Produkte zu, sondern auch für die Weiter- und Wiederverwertung der wachsenden Zahl zu entsorgender Batterien.

Große Herausforderung: Recycling

Geforscht wird auch hier: Im „Zentrum für elektrische Energiespeicher“ widmet sich das Fraunhofer-Institut der gesamten Wertschöpfungskette von Batterien. Nachhaltigkeit, Sicherheit und Performance werden unter Einbeziehung globaler Trends analysiert, Fragen zum Recycling bilden dabei einen integralen Strang. Auch die TU Bergakademie Freiberg hat sich dem Recycling von Akkus und Batterien verschrieben und sich vor allem der systematischen Optimierung des mechanischen Zerstückelns und Sortierens der einzelnen Batteriebestandteile gewidmet.

Wie solche oder ähnliche Forschungsarbeiten sich dann in der Praxis manifestieren können, illustriert der Automobilhersteller Mercedes Benz. Im Oktober dieses Jahres hat der Konzern in Kuppenheim (Baden-Württemberg) die erste Batterie-Recyclingfabrik Europas mit integriertem mechanisch-hydrometallurgischem Verfahren eröffnet. Das Unternehmen ist damit nach eigenen Angaben der erste Automobilhersteller weltweit, der den Batterie-Wertstoffkreislauf mit einer eigenen Anlage schließt.

Und natürlich haben auch professionelle Entsorgesunternehmen die kreislaufwirtschaftliche Handhabe der Energieträger schon länger auf der Agenda, wobei auch hier der Hauptfokus (noch) auf Lithium-Ionen-Batterien gerichtet ist: Aktuell werden davon jährlich ungefähr 50.000 Tonnen Altbatterien in Europa recycelt. Auch diese Menge wird in den kommenden Jahren zunehmen. Analysen des Fraunhofer ISI gehen davon aus, dass bis zum Jahr 2030 circa 420.000 Tonnen und bis 2040 circa 2,1 Millionen Tonnen an Lithium-Ionen-Altbatterien anfallen. Die Recyclingbranche steht fraglos vor großen Herausforderungen.

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