Graphit ist aktuell das Anodenmaterial der Wahl. Es bestehen weitere Forschungs- und Entwicklungschancen hin zu einer erhöhten Batterielebensdauer und Schnellladefähigkeit sowie im Hinblick auf optimierte Herstellungseffizienz mit reduziertem Material- und Energieeinsatz.
Silizium gilt als vielversprechendes Material für zukünftige LIB-Anoden, weil es deren Ladekapazität erhöht. Denn Silizium kann pro Volumeneinheit mehr Lithiumatome aufnehmen als Kohlenstoff. Allerdings wird die Lebensdauer der Batterien dadurch beeinträchtigt: Silizium dehnt sich beim Laden aus und schrumpft dann wieder. Dies führt zu mechanischen Belastungen und kann Schäden verursachen. Aktuell wird an einem Herstellungsprozess geforscht, mit dem sich die Struktur haltbarer machen lässt. Das optimale Material für LIB-Anoden wäre Lithium-Metall, das die größte Energiedichte und das maximale Spannungsfenster erreicht. Aktuell gelten sie als Primärbatterien, d. h. man kann sie nur einmal benutzen, weil beim Laden und Entladen Dendriten (baum- oder strauchartige Kristallstrukturen) wachsen und dies zu einem Kurzschluss der Batterie führen kann. Diesem Phänomen können aber Festkörperelektrolyten begegnen.

Bei der Elektrolyt-Forschung steht im Fokus, wie die Zyklenstabilität, d. h. die Langzeitnutzung, optimiert bzw. erhöht werden kann. Dies kann beispielsweise durch die Optimierung der Zusammensetzung erreicht werden. Zudem wird die Erforschung und Entwicklung von Festkörperelektrolyten intensiviert. Diese gelten als mögliche Alternative zu herkömmlichen Elektrolyten – allerdings besitzen diese aktuell eine geringe Ionenleitfähigkeit und sind deshalb noch nicht praktikabel. Des Weiteren ist die Handhabung innerhalb einer Batteriefabrik sehr anspruchsvoll, da es sich (meist) um dünne und unflexible Keramiken handelt. Sollte die Forschung hier ein geeignetes Material finden, ist das Potenzial für eine neue Generation von LIB aber enorm.

Die Kathoden-Forschung widmet sich neuen Kathodenmaterialien bzw. der Optimierung bestehender Kathodengenerationen. Diese bestehen aus Lithiummetalloxiden mit den Elementen Nickel, Cobalt und Mangan (NCM). Da es sich bei NCM um ein Gemisch handelt, können die Verhältnisse der Metalle variiert und durch eine Zahlenkennung dargestellt werden. Die bekanntesten Vertreter sind NCM111 (gleichmäßige Verteilung der Metalle) oder NCM622 (60 Prozent Nickel sowie jeweils 20 Prozent Mangan und Nickel). Ein Beispiel ist die Dotierung von nickelreichen Lithiummetalloxiden (NCM 622, NCM 811) mit Elementen wie Molybdän oder Wolfram. Dadurch wird die limitierende Stabilität dieser Formulierungen erhöht. Weitere Forschungsaktivitäten fokussieren den Ersatz von Kobalt mit dem Ziel, die Energiedichte des Materials sowie dessen Stabilität zu steigern. In den letzten Jahren werden zudem immer mehr Nachhaltigkeitsaspekte, wie z. B. die Substituierung von Rohstoffen, die mit hohen menschenrechtlichen, sozialen und ökologischen Risiken verbunden sein können, für die Erforschung neuer und alternativen Kathoden adressiert.

Der Abbau von Lithium findet aktuell hauptsächlich außerhalb Europas (z. B. Chile, Argentinien, Australien und China) statt und beeinträchtigt die Umwelt in unterschiedlich hohem Maße, z. B. durch den Bedarf an Wasser, Land, Energie oder durch extrem lange Transportwege. Es gibt aber auch größere Vorkommen in Europa, z. B. in Serbien, Deutschland, Tschechien, Österreich, Finnland und Portugal. Lithium könnte potenziell auch aus europäischen geothermalen Energiequellen gewonnen werden, z. B. an der deutsch-französischen Grenze. Generell gilt: Ein effizienter Recyclingansatz kann dazu beitragen, die Nachfrage nach neuen Rohstoffen auf ein Minimum zu reduzieren. Hierzu gehört auch die Förderung einer innereuropäischen Lithiumproduktion nahe an der verarbeitenden Industrie. Expertinnen und Experten erwarten, dass der Bedarf an Lithium bis zum Jahr 2040 bei fast 4 Millionen Tonnen liegen wird. Die globalen Reserven liegen aktuell bei rund 17 Millionen Tonnen. Die globalen Ressourcen betragen etwa 80 Millionen Tonnen.

Graphit wird in der Anode zumeist in Form einer Kombination von natürlichem und synthetischem Graphit eingesetzt, wobei die jeweiligen Anteile je nach Einsatzbereich und Leistungsanforderungen variieren. Natürlicher Graphit ist ein Bergbauprodukt und wird aktuell im Tage- und Untertagebau vorrangig in China gewonnen; assoziierte Umweltwirkungen sind meist bergbauspezifisch wie Flächenbedarf und Emissionen. Für den Einsatz in LIB bedarf natürlicher Graphit zudem einer Reihe von Prozessschritten wie Aufreinigung und Spheroidisieren, welche zum Teil mit hohen Umweltbelastungen verbunden sind und zusätzlich von China dominiert werden. Der hohe Anteil Chinas an der weltweiten Förderung und der weiteren Wertschöpfungskette für den Einsatz von natürlichem Graphit in LIB begründet u. a. die aktuelle Einschätzung als sogenannter kritischer Rohstoff. Synthetischer Graphit ist ein künstlich hergestelltes Produkt, Produktionsanlagen befinden sich sowohl in China als auch der übrigen Welt. Die Produktion ist energie- und damit kostenintensiv, jedoch verfügt synthetischer Graphit zumeist über höhere Reinheiten und einer besseren Homogenität, unabdingbare Eigenschaften für den Einsatz als Anodenmaterial in insbesondere leistungsstarken LIB.

Die Demokratische Republik Kongo ist der weltweit größte Kobaltproduzent. Rund 65 Prozent der weltweiten Förderung werden industriell und im artisanalen Kleinbergbau im Land gewonnen. Der langfristige globale Förderanteil des Kleinbergbaus im Kobaltsektor liegt bei rund 10 Prozent. Aufgrund der zum Teil prekären Abbau-Bedingungen im Kleinbergbau, bei dem auch Kinderarbeit vorkommt, ist dieses Element bezüglich der Nachhaltigkeit kritisch – Unternehmen sind bemüht, menschenunwürdige Förderbedingungen durch Zertifizierung auszuschließen, bzw. alternativ auch menschenwürdige, sozial- und umweltverträgliche Abbaubedingungen im Artisanal- und Kleinbergbau zu unterstützen, da dieser für viele Menschen eine wichtige Lebensgrundlage darstellt. Expertinnen und Experten der Deutschen Rohstoffagentur (DERA) erwarten, dass der Kobaltbedarf bis zum Jahr 2040, je nach Szenario, zwischen 280.000 l und 330.000 l liegen könnte.

Der Rohstoff Mangan ist nicht nur für die Stahlindustrie ein unverzichtbarer Bestandteil, sondern auch für die Elektroautoindustrie. Das Element dient in LIB dazu, die Struktur der Lithiumkathode zu stabilisieren, was sich positiv auf die Sicherheit und die Energiedichte (d. h. die mögliche Reichweite des E-Autos) auswirkt. Das meiste Mangan wird in Südafrika abgebaut, gefolgt von Australien, Gabun, Ghana und Brasilien, während die Weiterverarbeitung hauptsächlich in der Volksrepublik China stattfindet.

Kupfer wird vorwiegend in Südamerika (u. a. Chile, Peru) gewonnen und in Asien verhüttet (u. a. China). Mit Abstand wichtigster Halbzeughersteller ist China, gefolgt von USA und Deutschland. Kupfer wird hauptsächlich in stromleitender Funktion in unterschiedlichen Bereichen eingesetzt. Derzeit fließt etwa 1 % des Kupferangebots in die Elektromobilität, wo Kupfer in unterschiedlichen Anteilen in Batterien, Elektromotoren und der Verkabelung Verwendung findet. Zwischen 48 % und 85 % des eingesetzten Kupfers befinden sich in der Batterie.

Die Gewinnung von Nickel erfolgt überwiegend außerhalb Europas (vor allem in Indonesien und auf den Philippinen). In Europa (vor allem Russische Föderation, Finnland, Norwegen, und Großbritannien) wird aber etwa ein Drittel des weltweiten Angebots an hochreinem Nickelmetall produziert. Dies dient zum Teil auch als Vorstoff für die Herstellung von Kathodenmaterial für die Lithium-Ionen-Batterien. Im Jahr 2019 wurden für die Herstellung von Batterien lediglich 5 % des weltweiten Nickelangebots verwendet. Mehr als 70 % dieses Rohstoffs dient der Herstellung von Edelstahl. Expertinnen und Experten erwarten, dass der Bedarf an Nickel aus dem Bereich Elektromobilität im Jahr 2030 bei mehr als einer Millionen Tonnen liegt. Die globalen Reserven an Nickel liegen aktuell bei über 90 Millionen Tonnen. Dem effizienten Recycling des zukünftig stark steigenden Angebots aus dem Bereich Elektromobilität kommt eine zunehmend bedeutendere Rolle zu.

Aluminium wird über mehrere Prozessschritte aus Bauxiterz gewonnen. Die wichtigsten Förderländer von Bauxit sind Australien, China, Brasilien und Guinea, die zusammen einen Marktanteil von rund 76 % haben. Bei der Raffinadeproduktion ist die Länderkonzentration deutlich höher. Hier hat China allein einen Marktanteil von über 50 %. Gleichzeitig ist China aber auch der größte Verbraucher von Aluminium gefolgt von den USA, Japan und Deutschland. Die Produktion von Aluminium aus Bauxit ist mit einigen ökologisch kritischen Aspekten verbunden. Neben dem hohen Energiebedarf sind die bei der Produktion anfallenden Nebenprodukte wie Rotschlamm problematisch und müssen sicher deponiert werden. Aluminium hat sehr gute Recyclingeigenschaften. Rund 70 % des Alt-Aluminiums werden heute recycelt. Neben dem Recycling gewinnt sogenanntes Grünes Aluminium an Bedeutung. Durch die Verwendung von erneuerbarer Energien in der Produktionskette kann der CO₂-Ausstoß deutlich reduziert werden.

Im Bereich der E-Mobilität sind Batteriezellen flexibel und für die unterschiedlichsten Mobilitätsanforderungen einsetzbar. Im kontinuierlich wachsenden Markt für Elektrofahrzeuge ist die Lithium-Ionen-Batterie (LIB) der derzeit am häufigsten eingesetzte Energieträger. Prognosen gehen von einem Bedarf der europäischen Automobilproduktion von etwa 1.200 GWh Batteriekapazitäten im Jahr 2030 aus. Noch spielen Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt- (NMC) / Grafit-Zelltechnologien die aktuell größte Rolle in automobilen Anwendungen. Ein Trend geht jedoch zu nickelreichen und kobaltreduzierten Technologien.

Elektrifizierte Kleinfahrzeuge wie Roller, E-Bikes und Motorräder sind europaweit ebenfalls auf dem Vormarsch. Die Batterien unterscheiden sich technisch kaum von denen für automobile Anwendungen.

Auch Nutzfahrzeuge (Lkw, Busse, Transporter, Landwirtschafts- oder Baufahrzeuge) boomen: Elektrisch betrieben werden insbesondere jene, die sich für den Innenstadtverkehr eignen, z. B. Elektrobusse oder Postzustellfahrzeuge. Noch in den Kinderschuhen steckt allerdings der elektrische Fernverkehr. Aktuell werden 25 Prozent der CO2-Emissionen im europäischen Verkehr durch Nutzfahrzeuge verursacht. Daher wird bereits intensiv an technischen Lösungen, z. B. an Brennstoffzellen-Antrieben, Oberleitungen und batterieelektrischen Antrieben gearbeitet, um auch dieses Segment klimaneutral zu gestalten.

Im Bereich der Großfahrzeuge sind bereits erste Fähren und Züge auf kurzen Strecken batterieelektrisch unterwegs. Dies befreit z. B. Hafenstädte teilweise von Verbrenneremissionen und im Zugverkehr können Streckenabschnitte ohne Oberleitungen batterieelektrisch überbrückt werden. Im Flugverkehr wird sich in der Forschung und Entwicklung hauptsächlich auf Kurzstrecken fokussiert, für die Batterien mit besonders hoher Energiedichte gesucht werden. Als geeignet wird dafür die Lithium-Schwefel-Zelle angesehen. Grundsätzlich gilt: Batterien für Großfahrzeuge haben sehr spezifische Anforderungen und die Kosten der Batterieversorgung spielt eine große Rolle.

Auch große Baufahrzeuge könnten in Zukunft elektrisch betrieben werden. Hier sind Kombinationen aus Brennstoffzelle, Akku und Elektromotor denkbar. Der Vorteil: Emissionen wie Schall und Abgase in Wohngebieten werden reduziert. Die Batterien für die Baumaschinen sind technologisch verwandt mit denen aus dem PKW und dem Bus-Bereich.

Der Name ist Programm. Power-Tools brauchen viel Leistung. Was früher nur mit Kabel oder Verbrennungsmotor möglich war, erfolgt dank moderner Akkus häufig kabellos und elektrisch. Akkubetriebene Gartenbaugeräte, wie z. B. Rasenmäher oder Säge sind nicht nur praktisch, sondern auch besonders leise.

Bei Werkzeugen werden immer häufiger Lithium-Ionen-Batterien (LIB) verbaut. Diese können mittlerweile hinsichtlich ihrer elektrischen Leistung - also der Energieausspeisung pro Zeiteinheit - gut mit den bewährten Nickel-Metallhydrid-Batterien (NiMH) mithalten. Ein großer Vorteil dieser Zellchemie ist ihr niedriges Gewicht, bei gleichzeitig hoher Energiedichte. Große Hersteller von Power-Tools setzen bereits auf Standard-Akkus, die in verschiedene Geräte passen. Damit wird der Einsatz variabler und kostengünstiger.

Auch kabellose Haushaltsgeräte wie Staubsauger oder Rührgeräte verbreiten sich immer weiter. Häufig finden sich in Haushaltsgeräten Lithium-Ionen-Zellen vom Typ 18650. Dieses günstige Format wird weltweit am häufigsten hergestellt.

Stationäre Energiespeicher helfen dabei, Schwankungen bei der Energieproduktion und -nutzung auszugleichen und eine konstante Stromversorgung zu gewährleisten. Sie sind für die Energiewende in vielen Einsatzgebieten besonders relevant.

Energieversorgungsunternehmen nutzen sie, um das schwankende Stromangebot aus Wind und Sonne auszugleichen. Für Micro-Grids (lokale intelligente Stromnetze) und Insellösungen werden sie häufig in Kombination mit erneuerbaren Energien eingesetzt, um Dieselgeneratoren zu ersetzen. Private Haushalte und Unternehmen nutzen stationäre Batterien, um sich unabhängiger von Energieversorgern zu machen oder den Eigenverbrauch von selbst erzeugtem Strom zu erhöhen. Energiespeicher in Mobilfunkmasten sichern das Handynetz gegen Stromausfälle ab.

Die Batteriezellen für stationäre Energiespeicher haben andere Ansprüche als bspw. für Elektrofahrzeuge. Bei letzterem sind die Zellen oftmals auf Maximierung der Energiedichte (sprich möglichst viel Energie auf ein möglichst kleines Volumen) ausgelegt. Dies ist bei stationären Speichern meist nicht notwendig, da der Platzbedarf weniger stark limitiert ist. Es werden Zellen auf Basis von Lithium-Ionen-Batterien verwendet (häufig Lithium-Eisenphosphat- oder Lithiumtitanat-Zellen aufgrund der erhöhten Sicherheit).

Ausrangierte Batterien aus Elektrofahrzeugen, die nicht mehr genug Energiedichte und Leistung für das elektrische Fahren bereitstellen, können in sogenannten Second-Life-Anwendungen für eine zweite Lebensphase ertüchtigt werden.

Die Elektronikindustrie im Unterhaltungsbereich war lange Zeit der Treiber für die Optimierung der Lithium-Ionen-Akkus. Kurze Lebenszyklen erleichterten den Markteintritt der neuartigen Akkus, deren Energiedichte immer weiter zunahm. Noch heute haben Handy-Akkus die höchsten Energiedichten aller Batterien. Ein Nachteil ist ihre kurze Lebensdauer. Smartphones und Tablets enthalten häufig Zellen im Pouch-Format. Diese sind durch die Umhüllung mit einer dünn beschichteten Alufolie sehr leicht und in ihrer Form flexibel, sodass sie der Bauform des Geräts angepasst werden können.

In Laptops befinden sich häufig sechs bis acht Lithium-Ionen-Zellen im Format 18650. Diese Zellen haben eine Spannung von 3,7 V und z. B. eine Kapazität von 2400 mAh. Die Zellen werden in Serie miteinander verschaltet, um die nötige Spannung zu erzeugen. Für eine Spannung von 14,8 V sind also vier Zellen hintereinander („in Serie“) nötig. Zur Erhöhung der Kapazität des Akkus müssen zusätzlich Zellen nebeneinander („parallel“) verschaltet werden. Eine Elektronik überwacht die Temperatur und den Ladezustand der Zellen. Ein Spannungskonverter sorgt für eine gleichmäßige Spannung des gesamten Akkupakets.

Batterien für den Einsatz in der (tragbaren) Klein- und Kleinstelektronik basieren größtenteils auf Lithium-Cobalt-Oxid-Basis (LCO) mit einer Grafit-Silizium-Anode, weil sie eine hohe Energiedichte aufweisen. Die oftmals limitierte Nutzungsdauer dieser Geräte kann hierbei vernachlässigt werden.

In den Kleinstanwendungen wie Kopfhörern oder Smartwatches finden sich aufgrund ihrer hohen Energiedichte Lithium-Ionen-Zellen im Format Knopfzelle. Da diese Geräte zum Teil sehr dicht am oder sogar im Körper (z. B. Kopfhörer) getragen werden, wird besonderes Augenmerk auf die Sicherheit und Qualität gelegt.

Beim Mischen werden die Rohmaterialien für die Elektroden (Anode und Kathode) mit weiteren Substanzen wie Binder, Leitruß und Wasser (oder einer anderen flüssigen Substanz) vermengt. Ziel ist es, eine viskose Paste herzustellen, die ähnliche Fließeigenschaften wie Honig besitzt. Da man in der Zukunft immer weniger Lösemittel einsetzen will, erhöht man in den heutigen anwendungsnahen Forschungen die Feststoffgehalte immer weiter.

In der heutigen anwendungsnahen Forschungen werden die Feststoffgehalte immer weiter erhöht, um die Fraktion an Lösemittel zu verringern.

Die homogenisierten Pasten werden dann auf hauchdünnen (6–20 Mikrometer) Metallfolien beidseitig aufgetragen; Kupfer für die Anode und Aluminium auf der Kathode. Das Rohmaterial wird mit einer Nassfilmdicke von bis zu 0,2 Millimeter aufgetragen und anschließend in Öfen getrocknet. Dabei sollte die Oberfläche keine Risse aufweisen, damit sich eine gleichmäßige Schicht auf der Metallfolie bilden kann.

Die Oberfläche der Elektroden ist – trotz der gleichmäßigen Auftragung - sehr rau und porös. Durch das Pressen wird die Struktur zusammengestaucht. Dadurch erhalten Materialien und Metallfolie einen besseren Kontakt zueinander, was die elektrische Leitfähigkeit verbessert. Zum anderen werden die Poren verkleinert und die Partikel untereinander kontaktiert.

Bei diesem Schritt wird die spätere Zelle zusammengebaut. Dabei startet man mit der Anode, legt darauf eine Lage Separator und darauf eine Lage der Kathodenfolie. Diese Stapelungstechnik kann im Falle von Pouch- oder prismatischen Batteriezellen nun beliebig oft wiederholt werden, bis die gewünschte Spezifikation erreicht wurde. Bei Rundzellen wird der Stapel aus Anode, Separator und Kathode aufgewickelt. Um die Elektroden von Außeneinflüssen zu sichern, werden die gestapelten Elektroden oftmals in einer dünnen Kunststofffolie „eingeschweißt".

Bei diesem Prozessschritt wird ein Elektrolyt zu den gestapelten Elektroden hinzugegeben, welche vom Separator aufgesogen wird. Dadurch wird die Zelle erst benutzbar. Zusätzlich muss die Zelle erst ge-und entladen werden, denn innerhalb des ersten Ladevorgangs bilden sich essentielle Schutzschichten (Solid-Electrolyte-Interface (SEI)), welche den Lebenszyklus der Zellen verlängern.

In einem Batteriemodul werden in der Regel mehrere Batteriezellen parallel und seriell verschaltet. Die Anzahl der parallel verschalteten Zellen bestimmt dabei die Kapazität des Moduls. Die Anzahl der seriell verschalten Zellen bestimmt die Spannung des Moduls.

Rechenbeispiel: Werden in einem Modul 4 Zellen a 60 Ah parallel verschaltet, ergibt sich eine Kapazität von 240 Ah. Werden zusätzlich je 3 Zellen a 3,7 V seriell verschaltet, erhöht sich die Spannung auf 11 V. Man spricht dann von einer 4p3s (vierfach parallel, dreifach seriell) Verschaltung. Das Modul enthält also insgesamt 12 Zellen.

Das Batteriepack bezeichnet eine fertige Batterie bestehend aus mehreren Batteriemodulen. Die Unterteilung der Batterie in Module ermöglicht den Einsatz von Modulen als Baustein für verschiedene Fahrzeugtypen, da die Anzahl der Module variabel ist. Je mehr Module verbaut werden, umso höher ist später die Reichweite des Elektroautos.

Rechenbeispiel:  Aus 36 Zellmodulen (à 11 V und 240 Ah) kann durch serielle Verschaltung eine Batterie mit etwa 400 V und 240 Ah entstehen. Dies entspricht einem Bruttoenergieinhalt von 400 V x 240 Ah = 95,9 kWh.

Das Batteriemanagementsystem (BMS) ist das zentrale Steuergerät einer Batterie. Es berechnet aus einer Vielzahl von Sensordaten, Algorithmen und gespeicherten Tabellen jederzeit den aktuellen Ladezustand, die aktuell verfügbare Leistung sowie den Gesundheitsstatus (engl. State-of-Health) der Batterie und teilt diese Informationen dem Fahrzeug mit. Das System stellt außerdem sicher, dass die Batterie nie zu tief entladen und auch nicht überladen wird. Über ein angeschlossenes Thermomanagement sorgt das BMS dafür, das die Batteriezellen nicht zu heiß und im Winter auch nicht zu kalt werden.

Werden Batteriezellen seriell verschaltet, muss die Spannung jeder einzelnen Zelle überwacht werden. Hierbei ist es wichtig, dass alle Zellen die gleiche Spannung bzw. den gleichen Ladezustand haben. Passiert dies nicht, könnte es in einzelnen Zellen zu einer Überladung oder zu einer Tiefentladung kommen. Das schädigt die Batteriezellen und könnte zu einem Ausfall des kompletten Batteriestrangs oder sogar zu einem Brand führen.

Um das zu verhindern, befindet sich auf jedem Modul eine Zellüberwachungseinheit (engl. Cell Supervising Electronics, Cell Management Controller, Cell Supervising Circuit). Hierbei handelt es sich um eine Elektronik mit mehreren speziellen Mikrocontrollern (ASIC = Application Specific Integrated Circuit). Diese messen die Zellspannungen, ggf. auch die Temperatur und gleichen die Ladezustände aller Zellen an. Dies ist notwendig, da sich sonst einzelne Zellen schneller abnutzen und das Modul schneller unbrauchbar werden würde. Dabei werden Zellen mit höherer Spannung über einen kleinen Widerstand auf der Elektronik entladen, bis sie die gleiche Zellspannung wie die anderen Zellen haben.

Damit Batterien „made in Europe“ künftig innovativer und nachhaltiger im internationalen Vergleich sind ist es wichtig, die CO2-Bilanz von Batterien zu verbessern. Vor diesem Hintergrund müssen das Recycling und die Zweit- oder Wiederverwendung vorangebracht und Rohstoffe sparsamer eingesetzt werden, da eine Aufbereitung der Batterie deutlich weniger Energie und Rohstoffe verbraucht als die Neuproduktion.

Die EU-Kommission hat angekündigt, in naher Zukunft in der sogenannte EU-Batterieverordnung Nachhaltigkeitsanforderungen für Batterien festzulegen, die die Produktion und das Recycling betreffen. Dabei wird auch geprüft, inwiefern sich Bauteile und Werkstoffe für die verschiedenen Recyclingprozesse eignen. Das Augenmerk sollte hierbei auf der gesamten Wertschöpfungskette liegen – von der Mine bis zum Recycling, vor allem unter Einhaltung der Menschrechte bei den Arbeitsbedingungen der Beschäftigten.

Damit die Nutzung von Batterien in Europa zukünftig so nachhaltig wie möglich erfolgt, wird in den Batterie-IPCEIs auch das Thema Recycling intensiv behandelt, um eine umweltschonende Wiederverwendung der Rohstoffe in Europa und damit eine echte Kreislaufwirtschaft zu ermöglichen. Neben den Herausforderungen der Etablierung eines neuen Industriezweigs bietet der aktuell erfolgende Aufbau eines europäischen Batterie-Ökosystems aber auch die Chance, die gesamte Wertschöpfung der Batterie von Beginn an zirkulär aufzustellen.

Eine Batteriezellfabrik benötigt derzeit etwa 40 bis 50 GWh Energie pro GWh Speicherkapazität der produzierten Batteriezellen. Durch Reduktion des Energiebedarfs verringern sich die Kosten der produzierten Batteriezellen für den Endverbraucher. Weiterhin können einerseits durch Erhöhung der Energiedichte (reduzierter Aktivmaterialbedarf pro kWh) und andererseits durch Prozessinnovationen in der Batteriezellfertigung (reduzierte Energiekosten) die derzeitigen Kosten pro E-Fahrzeug weiter reduziert werden.

Der steigende Bedarf an E-Fahrzeugen führt auch zu einem gesteigerten Bedarf an Rohstoffen wie Kobalt, Nickel, Lithium oder weiteren seltenen Metallen. Hier ist der Einfluss durch Recycling nicht zu vernachlässigen. Bezogen auf konkrete Rohstoffe sollen ab 2025 die Rückgewinnungsquoten für Kobalt, Nickel und Kupfer bei mind. 90 % und für Lithium bei mind. 35 % liegen. Durch eine hohe Recyclingquote kann es möglich werden, die Kosten für Batteriesysteme trotz steigender Rohstoffpreise weiter zu senken. Allerdings ist nicht vorherzusagen, wie sich das Verhältnis von Recyclingmengen und Rohstoffbedarf der Produktion entwickeln wird, da stetig Weiterentwicklungen der Zellchemie stattfinden.

Eine erfolgreiche europäische Batterie-Wertschöpfungskette treibt die notwendige Energie- und Verkehrswende weiter voran: Elektrofahrzeuge werden bis zum Ende des Jahrzehnts den Kern der Personenmobilität auf der Straße ausmachen und höchstwahrscheinlich auch für den Gütertransport eine maßgebliche Rolle spielen. Der Einsatz von Energiespeichersystemen macht immer mehr erneuerbare Energiequellen verfügbar und entlastet die Stromnetze bei fortschreitendem Ausbau der Erneuerbaren. Die Batteriezellfertigung trägt damit direkt und indirekt zur Energiewende und zum Klimaschutz bei.

Der steigende Bedarf an Batterien führt zu einem steigenden Bedarf an Rohstoffen wie Kobalt, Nickel, Kupfer oder weiteren seltenen Metallen. Beim Abbau dieser Rohstoffe finden in Einzelfällen Menschenrechtsverletzungen statt. Dies betrifft insbesondere den Rohstoffabbau in Drittstaaten außerhalb der EU. Aber auch in Europa müssen soziale Belange beim Aufbau der neuen Batterieindustrie angemessen berücksichtigt werden. Dies wird zusätzlich durch das Lieferkettengesetz sowie durch die Entwicklung eines Batteriepasses unterstützt, welcher im Rahmen der EU-Batterieverordnung verpflichtend werden soll.

Nachhaltige Batterien sind ein wesentlicher Stützpfeiler des europäischen Green Deals. Der Anspruch, bis 2050 klimaneutral zu sein, erfordert technische Innovationen in der Batteriewertschöpfung, um neue Impulse in Europa sowie weltweit zu setzen.

Netzwerke wurden ins Leben gerufen, um die Akteure des europäischen Batterie-­Ökosystems miteinander zu verbinden. Auf diese Weise werden Kooperation und Wissensaustausch gestärkt. Sie tragen außerdem zum beschleunigten Aufbau einer intakten und nachhaltigen Batteriewertschöpfung bei. Strategische Forschungs­- und Entwicklungsmaßnahmen fördern die notwendigen Innovationen. Mit öffentlichen Förderprogrammen setzt die Politik Anreize zur Entwicklung innovativer und nachhaltiger Batterietechnologien „made in Europe“.

Die Produktion einer Batterie mit einer Gigawattstunde Energiegehalt benötigt derzeit etwa 40 bis 50 Gigawattstunden Energie. Dementsprechend ist die Wirtschaftlichkeit der Batterieproduktion abhängig von den Energiepreisen und damit vom Produktionsstandort.

Eine kluge Ausrichtung der Energieversorgung kann sowohl kostenseitig entlasten als auch Treibhausgasemissionen reduzieren. Effektive Maßnahmen zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen und zur Steigerung der Nachhaltigkeit sind die Optimierung und Weiterentwicklung einzelner Produktionsschritte zur Reduzierung des Gesamtenergiebedarfs sowie der Einsatz eines möglichst hohen Anteils an erneuerbaren Energien entlang der gesamten Wertschöpfungskette. Bereits bei der Standortwahl berücksichtigen Investoren die Versorgungsmöglichkeit mit erneuerbaren Energien.

Als nächstes wird das zerkleinerte Material erneut klassiert. Der feinere Anteil besteht anschließend überwiegend aus dem kathodischen Beschichtungsmaterial. Aus diesem können in weiteren Prozessschritten die Rohstoffe Lithium, Kobalt, Mangan und Nickel wieder zurückgewonnen werden. Das verbleibende Grobgut kann darauf hin durch eine weitere Sortierung in verkaufsfähige Kupfer- und Aluminiumkonzentrate getrennt werden.

Um den Rohstoffkreislauf der Batteriezellfertigung zu schließen werden im IPCEI neben der reinen mechanischen Aufbereitung Konzepte erarbeitet, wie ausgediente Batterien gesammelt und getestet werden können. Logistisch stellt das eine große Herausforderung dar genauso wie die Wiederverwendung der recycelten Materialen. Standardisierte Identifikationsnummern auf Batterien, intelligente Batteriemanagementsysteme, die dynamische Batteriedaten teilen, sowie Batteriesysteme, die bereits in ihrer Designphase Second-Life-Konzepte berücksichtigen, könnten in Zukunft die Zeit für Testung, Wertermittlung und Umrüstung deutlich reduzieren.

Vor dem eigentlichen mechanischen Recycling muss der Batteriepack, der aus bis zu 100 Einzelzellen bestehen kann, auseinandergenommen und in seine einzelnen Zellen zerlegt werden. Meistens erfolgt dieser Schritt händisch und kann je nach Art, Zusammensetzung und Verbindung des Batteriepacks sehr zeitaufwendig und somit kostenintensiv sein. Da es auf dem Markt viele unterschiedliche Arten von Batteriezellen gibt, ist es sehr schwierig, diesen Prozess zu automatisieren. Einheitliche Standards und das Design von recyclingfreundlichen Packs könnten dazu beitragen, diesen Prozessschritt zu vereinfachen. Mindeststandards für ein recyclingfreundliches Produkt werden regelmäßig diskutiert, stoßen aber oft auf Widerstände, da solche Standards die Entwicklungsingenieure in ihrer Freiheit einschränken würden. Die Batteriehersteller sind gesetzlich verpflichtet ihre Batterien wieder zurück zu nehmen und haben deshalb oft ein Eigeninteresse an einem Produktdesign für ein kostengünstiges Recycling.

Wenn die Batteriezellen demontiert und vollständig entladen sind, werden sie in einem sogenannten Granulator zerkleinert. Ein Granultator ist eine Werkzeugmaschine, die die Batteriezellen bei geringem spezifischem mechanischem Energiebedarf (unter zehn Kilowattstunden pro Tonne) und idealerweise unter Luftausschluss zerstückelt. Bei diesem Schritt werden die gewickelten Folienverbunde geöffnet und Teile der Elektrodenbeschichtung von den Metallfolien entfernt. Neben den festen Stoffen werden bei der Zerkleinerung auch die leicht flüchtigen Bestandteile des Elektrolyten freigesetzt. Die flüchtigen Bestandteile müssen aus dem Prozessraum entfernt und einer Gasreinigung zugeführt werden.

Nach dem Zerkleinerungsprozess werden die festen Komponenten gesiebt und klassiert. Es verbleibt eine Schwarzmasse, die überwiegend aus den Beschichtungsmaterialien der Elektrodenfolien und geringen Anteilen an Aluminium, Kupfer und Polyethylen besteht. Zurück bleibt ebenfalls das sogenannte Grobgut – ein Metall-Kunststoff-Mix, der sich hauptsächlich aus den restbeschichteten Elektrodenfolien, den Separatorfolien und den Gehäusekomponenten zusammensetzt. In einem sogenannten Sichter, eine Vorrichtung zur Klassierung von Feststoffen, wird der Metall-Kunststoff-Mix anhand der unterschiedlichen Sinkgeschwindigkeiten der Partikel in zwei Stufen in die Fraktionen Kunststoffkonzentrat, Elektrodenfoliengemisch und Gehäusematerial getrennt.

Batterieelektrische Fahrzeuge haben hohe Anforderungen an die Leistungs- und Energiedichte der Batterien. Gealterte Batterien, die ca. sieben bis zehn Jahre im Einsatz waren, werden diesen nicht mehr gerecht. Durch die Weiterverwendung (Second Life) in sekundären Speicheranwendungen können gebrauchte Lithium-Ionen-Batterien ein zweites Leben erhalten und dadurch ihre Lebensdauer erhöhen. Dies bietet Möglichkeiten, zusätzliche Erlöse zu generieren und verbessert gleichzeitig die Ökobilanz der Batterien, da diese insgesamt deutlich länger genutzt werden können (Kaskadennutzung).

Die Wiederaufbereitung von Batteriezellen ist ein wesentlicher Kernpunkt der Wiederverwendung/Second-Life-Anwendungen. Derzeit gibt es noch keine geltenden Richtlinien zur Sammlung von Batteriezellen für Second-Life-Anwendungen. Die Europäische Batterierichtlinie sowie das deutsche Batteriegesetz regeln die Rücknahmepflicht der Hersteller für den Zweck der stofflichen Verwertung. Zudem ist die Rückläuferzahl derzeit noch sehr niedrig und das oftmals komplexe und vertrauliche Design der Batteriepacks in Elektroautos ist ein weiterer zu überwindender Aspekt. Derzeit gibt es – auch aufgrund der vorherrschenden Marktsituation, in der Batterien „wettbewerbsdifferenzierend“ sind – für jedes E-Auto ein eigenes Batteriepack sowie ein eigenes (meist nicht auslesbares) Batteriemanagementsystem. Dadurch ist es für Recycler schwierig, defekte Zellen (innerhalb des Packs) zu identifizieren und ggfs. auszutauschen. Dadurch sind Charakterisierungstests derzeit noch sehr teuer und langwierig – oft müssen die Packs sogar manuell zerlegt werden. Dem kann in Zukunft durch Standardisierung begegnet werden

Bei der Wiederverwendung werden bereits benutzte Batterien/Akkus, beispielsweise aus Automobilanwendungen in anderen sekundären Anwendungen erneut genutzt. Ein Beispiel ist die Zweitverwendung von Autobatterien als stationärer Speicher. Um dieses Modell wirtschaftlich tragfähig zu gestalten, müssten Second-Life-Batterien zu entsprechend niedrigen Kosten und mit noch ausreichender Restperformance vorhanden und neu integrierbar sein. Fragen der Standardisierung (Wer sammelt diese Zellen? Wie können sie sicher gelagert, transportiert und charakterisiert werden?) und Gewährleistung (zum Beispiel durch entsprechende Betreiber- und Besitzermodelle) müssen in einem wirtschaftlichen Geschäftsmodell berücksichtigt werden. Ob sich dies umsetzen lässt wird heute noch kontrovers diskutiert und erfordert weitere technoökonomische Forschung.