LIB-Anoden bestehen bislang immer aus Kohlenstoff. Grafit eignet sich hier besonders gut, weil es den Lithium-Atomen die Möglichkeit gibt, sich in der Gitterstruktur des Materials einen festen Platz zu suchen. Das führt beispielsweise dazu, dass LIB häufiger und schneller geladen werden können als andere Batterietypen wie etwa Blei-Akkus.

Damit sich die Lithium-Ionen von der Anode zur Kathode bewegen können, befindet sich zwischen den beiden Polen eine ionenleitende Flüssigkeit (Elektrolyt). Sie besteht aus einem organischen Lösungsmittel und einem Leitsalz. Der Transport der Elektronen erfolgt über die Stromableiter und den daran angeschlossenen äußeren Stromkreis. Die Ionen bewegen sich also innerhalb der Batterie, die Elektronen dagegen über den äußeren Stromkreis.

Damit es in der Batterie keinen elektrischen Kurzschluss gibt, trennt ein Separator die beiden Elektroden voneinander. Das ist eine dünne Membran, die nur die Ionen durchlässt. Diese kann beispielsweise aus Kunststofffolien oder Kunstoffvlies bestehen.

Die Ladungsträger in der Batterie sind Lithium-Ionen, die sich zwischen Kathode und Anode hin und her bewegen. Dies geschieht durch Diffusion. Dieser Prozess funktioniert am besten in einem Temperaturfenster zwischen 10 – 60 °C. Das Metall Lithium gilt als sehr reaktionsfreudig, besonders mit Wasser. Batteriezellen müssen also stets verschlossen und abgedichtet sein, damit keine Feuchtigkeit ins Innere der Zelle eindringen kann. 

LIB-Kathoden können aus Lithium-Metalloxiden aufgebaut sein: Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxid (NCA) und Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid (NMC) kommen hierfür aktuell am häufigsten zum Einsatz. Sie haben eine besonders hohe Energiedichte und man kann sie häufig auf- und entladen.

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.

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.

Das IPCEI Batteriezellfertigung verfolgt das Ziel, neue Arbeitsplätze in der Batteriezellproduktion sowie Wachstum durch die Entwicklung und Stärkung von hoch qualifiziertem Personal zu schaffen. Neueinstellungen, Umschulungen sowie die kontinuierliche Weiterbildung von Personal sind mögliche Maßnahmen, um den Anforderungen der nachhaltigen Batteriezellproduktion, z. B. der Entwicklung neuer Prozesse und Verfahren gerecht zu werden. Das Ziel dabei ist es auch, die sozialen Auswirkungen des Strukturwandels im Mobilitäts- und Energiesektor abzuschwächen. Durch die Fokussierung auf hochinnovative Vorhaben wird sichergestellt, dass zukunftsfähige Wertschöpfung in den aussichtsreichsten Feldern entsteht.

Bei der Produktion von Batterien wurden wiederholt, vor allem bei der Rohstoffgewinnung und dem Recycling, Menschenrechtsverletzungen wie z. B. Kinderarbeit dokumentiert. Um die soziale Nachhaltigkeit sicherzustellen, müssen allgemeine Menschenrechtsstandards in der gesamten Wertschöpfungskette (im In- und Ausland) sichergestellt werden.

Essentiell ist hier die Einhaltung der OECD-Leitsätze für multinationale Unternehmen als das wichtigste und umfassende internationale Instrument zur Förderung verantwortungsvollen unternehmerischen Handelns. Ganz klar: Ohne soziale Standards in der Lieferkette kann es keine nachhaltige Batterie geben. Durch eine europäische Wertschöpfungskette Batteriezellfertigung wird nicht nur die notwendige Energie- sondern auch die Verkehrswende weiter vorangebracht: Durch den Einsatz von Energiespeichersystemen können immer mehr erneuerbare Energiequellen verfügbar gemacht werden, und z. B. zum Laden von Fahrzeugen – bei gleichzeitigem Ausbau der Ladeinfrastruktur – genutzt werden. Die Batteriezellfertigung trägt damit direkt und indirekt zur Energiewende und zum Klimaschutz bei.

Der CO₂-Ausstoß der Batteriezellen, die im Rahmen des IPCEI-Projektes produziert werden, wird im Vergleich zum derzeitigen weltweiten Stand der Technik (150-200 kg CO₂/kWh) erheblich reduziert. Dies gelingt beispielsweise durch die Entwicklung innovativer Verfahren, um den Energieverbrauch zu reduzieren (Binder-freie Elektroden, wasserbasierte Elektrodenherstellung, Trockenbeschichtung) oder durch die Etablierung von effizienten Produktionsprozessen, um Verluste zu vermeiden (z. B. Reduzierung des Ausschusses bei der Grafit-Produktion). Mithilfe effizienterer Recycling-Prozesse können bis zu 90 Prozent aller Rohstoffe auf der Materialebene und bis zu 75 Prozent auf der Batteriezellenebene wieder verwertbar gemacht werden. Bisher liegt die Recycling-Quote bei 50-60 Prozent. Zudem soll die Lebensdauer der Batterie um 30 Prozent erhöht werden, z. B. durch hybride Nutzungskonzepte, wodurch der CO₂-Ausstoß pro kWh reduziert wird.

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.

Bei der Kathodenherstellung werden als Vormaterialien unter anderem Lithiumsalze sowie verschiedene Salze der Metalle Nickel, Mangan und Kobalt eingesetzt. Basierend auf diesen Vormaterialien (speziell die Metallsalze) wird ein weiteres Vormaterial hergestellt: der sogenannte Präkursor. Dieser besitzt schon eine ähnliche chemische Zusammensetzung wie das Endprodukt und weist die typische Zusammensetzung von Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid bereits auf; im letzten Prozessschritt wird dieser mit einer Lithiumquelle in einer Festkörpersynthese – bei erhöhten Temperaturen – behandelt. Hierbei spricht man von „Kalzinieren“. Das Endprodukt ist dann das verwendete Kathodenmaterial. Letztendlich laufen fast alle Kathodenherstellverfahren nach einem ähnlichen Schema ab und unterscheiden sich wesentlich in der Zusammensetzung der Präkursoren

Die meistverbreitete Form von Anodenmaterialien ist Graphit, von derer zwei Arten häufig eingesetzt werden: natürliches und synthetisches Graphit. Natürliches Graphit wird vor allem in Asien abgebaut, wohingegen synthetisches Graphit lokal produziert werden kann. Bei letzterem wird als Ausgangssubstanz ein amorpher Kohlenstoff genutzt, der durch Behandlung unter hohen Temperaturen (bis zu 3000 °C) in einer speziellen Atmosphäre „graphitisiert“ wird. Während des Prozesses bilden sich die typischen Lagen aus und Verunreinigungen werden beseitigt.

Der Elektrolyt für Lithium-Ionen-Batterien basiert auf organischen Lösemitteln der Carbonat-Klasse. Standardmäßig wird eine Mischung aus linearen Carbonaten und einem zyklischen Carbonat verwendet, welche als binäre oder tertiäre Mischungen angesetzt werden. Diese organischen Mischungen sind notwendig um eine gute Viskosität und Löslichkeit zu gewährleisten. Da die Ionen-Leitfähigkeit dieser Gemische zu niedrig ist, wird ein Leitsalz beigegeben, welches die Ionen-Leitfähigkeit erhöht. Diese Salze bestehen häufig aus hochflorierten Lithiumverbindungen, wie beispielsweise – das am weitverbreitetsten – Lithiumhexafluorophosphat (LiPF₆). Der Nachteil dieser Salze ist die Reaktion mit bereits kleinsten Rückständen von Wasser, was zu ungewünschten Nebenreaktionen führt und die Lebensdauer der Batterie negativ beeinträchtigt. Daher ist es bei der Herstellung wichtig, auf eine wasserfreie Umgebung zu achten.

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.

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.

Durch die neue europäische Wertschöpfungskette Batterien entstehen nicht nur Jobs in der Batteriezellproduktion, sondern auch in den Bereichen „Rohstoffgewinnung“, „Materialherstellung“, „Second Life“ und „Recycling“. So fordert es qualifiziertes Personal für den Bereich „Second Life“, um Batterien in ihre modularen Einheiten zu zerlegen, den Alterungszustand zu detektieren, die Module nach ihrer Güte zu klassifizieren und ihren Weiterverwendungswert zu bestimmen. Der neue Industriezweig „Recycling“ könnte insbesondere Regionen, in denen die Energiewende zu einem Strukturwandel führt – wie z. B. der besonders hart von dem Kohleausstieg getroffen Regionen – eine positive Zukunft bieten. In der Region Lausitz z. B. sehen die Forscher der Otto-Brenner-Stiftung sehr gute Voraussetzungen, um entsprechende Recyclingstätten anzusiedeln. Denn als traditionelle Energieregion verfügt die Lausitz beispielsweise schon über die in der energieintensiven Batterietechnologie erforderlichen gut ausgebauten Netzinfrastrukturen.

Durch das Recycling wird die Verwendung von Batterierohstoffen reduziert, die unter Nachhaltigkeitsgesichtspunkten problematisch sein können, wie z. B. Kobalt. Es verringert sich zudem die Rohstoffabhängigkeit der deutschen Hersteller. Die Nachfrage nach Lithium und Kobalt, die in der Batterie stecken, wird auf dem Weltmarkt weiter steigen. Einen eigenen Zugang zu diesen Ressourcen durch das Recycling zu erschließen, macht die heimische Produktion unabhängiger und weniger verwundbar für Preisschwankungen. Für den Bezug von Rohstoffen von internationalen Rohstoffmärkten sorgen die OECD-Due-Diligence-Leitsätze für die Einhaltung von Mindeststandards bezüglich der sozialen Nachhaltigkeit.

Der Einsatz von Batterien als Second-Life-Anwendung kann dazu beitragen, dass eine Batterie nochmal gut zehn Jahre ihre Dienste tun kann und sich somit die Lebensdauer einer Batterie – nach ihrer Einsatzzeit im Auto, mit zehn bis 15 Jahren – auf rund 25 Jahre verlängert. Diese Form der Nutzung trägt zu einer deutlichen Verbesserung der Ökobilanz von Batterien bei, da der Energie- und Ressourceneinsatz für die Batterieherstellung sich über einen viel längeren Nutzungszeitraum amortisiert. Das Recycling der Batterierohstoffe hilft zudem, Energieeinsatz und Treibhausgasemissionen aus der Rohstoffgewinnung zu vermeiden und die Ökosysteme rund um die Lagerstätten der Batterierohstoffe zu schonen (bspw. den Wasserverbrauch in Südamerika senken).

Batterien für Großfahrzeuge haben meist sehr spezifische Anforderungen. So sind bereits erste Fähren und Züge batterieelektrisch unterwegs. Für kurze Strecken ist das durchaus eine sinnvolle Lösung. Hafenstädte werden dadurch weniger durch Verbrenngase belastet. Streckenabschnitte mit fehlenden Oberleitungen können batterieelektrisch überbrückt werden. Der Preis der Batterien spielt hierbei eine große Rolle. Auch im Flugverkehr rücken Batterien immer mehr in den Fokus, insbesondere wenn es um kurze Flüge geht. Für diesen Bereich werden Batterien mit besonders hoher Energiedichte gesucht. Große Hoffnungen werden deshalb an Lithium-Schwefel-Zellen gestellt.

Die Elektrifizierung macht auch vor den Nutzfahrzeugen nicht Halt. Besonders elektrische Nutzfahrzeuge für den innerstädtischen Verkehr boomen. Immer mehr Städte setzten bei Neuanschaffungen auf Elektrobusse. Die Postzusteller und andere Logistikunternehmen setzen ebenfalls stark auf elektrische Antriebe. Technisch gesehen haben Nutzfahrzeuge wie Busse, Laster, Transporter oder Fahrzeuge in der Landwirtschaft und im Bauwesen ein ganz ähnliches Anforderungsprofil wie automobile Anwendungen. Der elektrische Fernverkehr mit schweren Nutzfahrzeugen steckt allerdings noch in den Kinderschuhen. Viele Unternehmen arbeiten an technischen Lösungen (z. B. Brennstoffzellen-Antriebe, Oberleitungen, batterieelektrische Antriebe), um auch dieses Segment klimaneutral zu gestalten. Diese sind nämlich insbesondere aus Sicht des Klimaschutzes sinnvoll: Aktuell verursachen schwere Nutzfahrzeuge 25 Prozent der CO₂-Emissionen im europäischen Verkehr.

Der Automobilmarkt gilt als Leitanwendung für LIB und wird bis 2025 sehr stark wachsen. Aktuelle Prognosen gehen von einer Wachstumsrate von 35 Prozent aus: von 200 GWh im Jahr 2018 auf 1.200 GWh im Jahr 2025. Hier wird ein starker Konkurrenzkampf erwartet; etablierte Zellhersteller werden versuchen, ihre Marktposition auszubauen. NMC/Grafit-Zelltechnologien spielen aktuell die größte Rolle in automobilen Anwendungen. Es zeichnet sich ein klarer Trend zu nickelreichen und kobaltreduzierten Technologien ab.

Rechenbeispiel: Batteriezellen für automobile Anwendungen haben eine Spannung von 3,7 V. Um auf eine Spannung von 400 V zu kommen, müssen etwa 108 Zellen hintereinander (in Reihe) geschaltet werden. Um auf einen Energieinhalt von 60 kWh für das Batteriesystem zu kommen, müsste also jede der 108 Zellen eine Kapazität von 150 Ah haben. In vielen Fällen werden auch kleinere Zellen verwendet. Diese werden dann parallel verschaltet, um auf die gewünschte Kapazität zu kommen. So kann ein Batteriesystem schnell aus 200-300 Zellen bestehen. Werden besonders kleine Zellen verwendet kann ein großes Batteriesystem auch schon mal aus über 7.000 einzelnen Zellen bestehen.

Elektrifizierte Kleinfahrzeuge wie Roller, E-Bikes und Motorräder sind europaweit auf dem Vormarsch. Im Jahr 2019 wurden deutschlandweit über 1 Millionen E-Bikes abgesetzt, sieben Mal mehr als noch vor zehn Jahren. Und der Trend hält an. Fahrradhersteller erweitern ihr Segment, egal ob Cityrad, Mountainbike oder Lastenrad: Immer mehr Fahrräder werden mit Elektroantrieb angeboten. Gründe sie zu nutzen gibt es viele: Sie sind zum einen sehr sprintstark in der Stadt, haben niedrige Unterhaltungskosten und gelten als sehr wartungsarm. Auch vor Motorrädern macht die Elektrifizierung nicht Halt. So kam in Amerika 2006 das erste voll-elektrische Motorrad auf den Markt. Die Batterien unterscheiden sich dabei technisch kaum von denen für automobile Anwendungen.

Auch bei den Werkzeugen geht der Trend zum Akku. Waren früher Nickel-Metallhydrid-Batterien (NiMH) in kabellosen Werkzeugen verbaut, so sind es aktuell immer mehr Lithium-Ionen-Akkus. Bei der elektrischen Leistung, also der Energieausspeisung pro Zeiteinheit, können diese mittlerweile gut mit NiMH-Batterien mithalten. Und dies bei deutlich niedrigerem Gewicht: Denn die Energiedichte von LIB ist deutlich höher. Das ist ein echter Vorteil, gerade bei längerem Arbeiten auf einer Baustelle. Übrigens: Einige große Hersteller haben sich vor Kurzem zusammengeschlossen, um einen Standard-Akku zu entwickeln, der in allen Geräten gleichermaßen passen soll. So wird der Markt an Ersatzakkus übersichtlicher und so die Kosten gesenkt.

Auch im Haushalt werden kabellose Haushaltshelfer immer beliebter. Ob Staubsauger, Rührgeräte oder Milchaufschäumer: Die kleinen Helfer im Haushalt sind kaum noch wegzudenken. Gerade die kleineren Geräte können oft an einem USB-Port geladen werden. Das spart zusätzliche Ladekabel. Häufig finden sich in diesen Geräten Lithium-Ionen-Zellen vom Typ 18650. Dieses Format wird weltweit am häufigsten hergestellt und ist deshalb auch besonders günstig.

Auch im Gartenbaubereich werden akkubetriebene Geräte immer beliebter, wie z. B. Rasenmäher, Säge oder Laubbläser. Die elektrischen und kabellosen Assistenten sind nicht nur äußerst praktisch, sondern auch besonders leise. Das schont die Nerven der Nachbarn. Häufig finden sich in diesen Geräten Lithium-Ionen-Zellen vom Typ 18650. Dieses Format wird weltweit am häufigsten hergestellt und ist deshalb auch besonders günstig. Ob es sich dabei um eine Zelle mit besonders viel Leistung, besonders viel Energie oder um eine ausbalancierte Zelle handelt, lässt sich von außen nicht erkennen. Hierfür muss man schon ins Innere der Zelle blicken.

Selbst große Baumaschinen könnten in Zukunft noch häufiger elektrisch unterwegs sein. Die immer weiter fallenden Akkupreise machen auch akkubetriebene, elektrische Baumaschinen möglich. Hier sind Kombinationen aus Brennstoffzelle, Akku und Elektromotor möglich. Der Vorteil liegt auf der Hand: Emissionen wie Schall und Abgase werden reduziert. Die Wohnqualität in den Städten steigt. Die Akkus für die Baumaschinen sind nah verwandt mit den Akkus aus dem PKW und dem Bus-Bereich.

Die Einsatzgebiete für stationäre Energiespeichersysteme sind vielfältig. Energieversorgungsunternehmen nutzen sie, um das schwankende Stromangebot aus Wind und Sonne auszugleichen. Für Micro-Grids und Insellösungen werden sie häufig in Kombination mit erneuerbaren Energien eingesetzt, um Dieselgeneratoren zu ersetzen. Private Haushalte und Unternehmen nutzen stationäre Batterien, um sich unabhängig von Energieversorgern zu machen oder den Eigenverbrauch von selbst erzeugtem Strom zu erhöhen und damit ihre Energiekosten zu optimieren. 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) im Fokus. Hingegen ist dies bei stationären Speichern nicht notwendig, da diese tendenziell keinen Platzlimitierungen unterliegen. Es werden Zellen auf Basis von Lithium-Ionen-Batterien verwendet (häufig Lithium-Eisenphosphat- oder Lithiumtitanat-Zellen aufgrund der erhöhten Sicherheit). Außerdem ist die Integration eines Batteriemanagementsystems simpler gestaltet, da keine gesondert differenzierten Lade-/Entladeprofile beachtet werden müssen. 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. Dafür werden die Batterien aus den Fahrzeugen ausgebaut und für stationäre Anwendungen fit gemacht. Das verlängert die Nutzungsdauer der E-Auto-Batterien und schont so die Umwelt.

Die Elektronikindustrie war lange Zeit der Treiber für die Entwicklung immer besserer Lithium-Ionen-Akkus. Die ersten Akkus wurden in Japan für tragbare Camcorder entwickelt. Die kurzen Lebenszyklen der Elektronikprodukte erleichterten den Markteintritt der neuartigen Akkus, die vor allem auf immer höherer Energiedichte entwickelt wurden. So zählen auch heute noch die Handyakkus zu den Akkus mit der höchsten Energiedichte. Ein Nachteil bleibt hierbei allerdings die kurze Lebensdauer. Deshalb sind diese Akkus nicht für den Einsatz in Elektrofahrzeugen geeignet. Übrigens: Der Drang nach immer höheren Energiedichten kann auch in einer Katastrophe enden. So waren Hersteller bereits mehrfach gezwungen, ihre Geräte wieder zurückzurufen, da ein sicherer Betrieb nicht gewährleistet werden konnte. In Smartphones und Tablets finden sich häufig Zellen im sogenannten Pouch-Format. Der Vorteil: Die Zellen werden nur in einer dünn beschichteten Alufolie eingeschweißt. Das spart Gewicht. Gleichzeitig bleibt man bei der Form flexibel und kann den Akku der Bauform des Smartphones oder Tablets anpassen. Akkus 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 limitierende Nutzungsdauer dieser Geräte – die Zykleninstabilität von LCO – kann hierbei vernachlässigt werden.

Anders als in Smartphones befinden sich in Laptops 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 für den Laptop nötige Spannung zu erzeugen. Für eine Spannung von 14,8 V sind also vier Zellen hintereinander (sprich „in Serie“) nötig. Soll zusätzlich die Kapazität des Akkus erhöht werden, müssen zusätzlich Zellen nebeneinander (sprich „parallel“) verschaltet werden. Für einen Akku mit 14,8 V und eine Kapazität von 4.800 mAh werden dann vier Zellen in Serie geschaltet und nochmal vier Zellen dazu parallel. Man spricht dann von einer 4s2p-Verschaltung. Es werden also acht Zellen insgesamt benötigt. Eine Elektronik überwacht Temperatur und Ladezustand der Zellen. Ein Spannungskonverter sorgt für eine gleichmäßige Spannung des gesamten Akkupakets.

Akkus 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 – die Zykleninstabilität von LCO – kann hierbei vernachlässigt werden.

Auch in den Kleinstanwendungen finden sich Lithium-Ionen-Zellen, ob in Kopfhörern, Smartwatches oder Action-Cams. In den kleinsten Geräten finden sich Lithium-Ionen-Zellen vom Format Knopfzelle, da in diesen Geräten in der Regel nur sehr wenig Platz ist. Lithium-Ionen-Zellen bieten derzeit eine der höchsten Energiedichten und werden deshalb auch in Kleinstgeräten verbaut. Da diese Geräte zum Teil sehr dicht am oder sogar im Körper (z. B. Kopfhörer) getragen werden, muss ein besonderes Augenmerk auf die Sicherheit und Qualität gelegt werden. Ein deutsches Unternehmen und IPCEI Partner ist hier führend auf dem Weltmarkt.

Die Herstellung von Batterien „made in Europe“ im Rahmen eines vielfältigen und eng vernetzten europäischen „Batterie-Ökosystems“ ermöglicht die Unabhängigkeit von Importen und verringert die Abhängigkeit von einer kleinen Zahl von Zulieferern. Auch mittelständische Unternehmen, die wegen der geringen Abnahmemengen zunehmend Schwierigkeiten haben, sich am Weltmarkt zu fairen Konditionen mit Zellen zu versorgen, können in Zukunft durch europäische Anbieter bedient werden. Dies unterstützt die Elektrifizierung auch jenseits des Leitmarkts der Elektromobilität, da auch kleinere Hersteller innovative, auf Batterien basierte Produkte auf den Markt bringen können.

Ziel ist die Transparenz der Lieferketten in der europäischen Batteriezellproduktion, insbesondere hinsichtlich sozialer Nachhaltigkeit. Dazu zählen beispielsweise die Einhaltung menschenwürdiger Arbeitsbedingungen bei der Gewinnung von Batterierohstoffen, das Verbot von Kinderarbeit sowie die strikte Vermeidung von Gesundheits- und Sicherheitsrisiken. Teilnehmer des IPCEI werden dafür eng mit der Global Battery Alliance zusammenarbeiten, um die Entwicklung eines Qualitätssiegels für die Verbraucherinnen und Verbraucher voranzubringen. Gerade in der Automobilindustrie sind mittelfristig viele Arbeitsplätze in Europa im Bereich der Verbrennungstechnologien bedroht. Der Aufbau einer Batteriewertschöpfungskette schafft an anderer Stelle viele neue und hochwertige Stellen und schafft so neue Perspektiven für Arbeitnehmer.

Unser Ziel ist es, dass Batterien „made in Europe“ künftig die innovativsten und nachhaltigsten im internationalen Vergleich sind. Vor diesem Hintergrund soll die CO₂-Bilanz von Batterien verbessert, Recycling und Nachnutzung vorangebracht und Rohstoffe sparsamer eingesetzt werden. Hierbei können ordnungsrechtliche Maßnahmen unterstützen. Die EU-Kommission hat angekündigt, in naher Zukunft Nachhaltigkeitsanforderungen für Batterien festzulegen, die die Produktion und das Recycling betreffen. Künftige Regeln könnten zum Beispiel auch verpflichtende Informationen zum CO₂-Fußabdruck (z. B. bezüglich des bei der Produktion verwendeten Strommixes) enthalten. Die Einführung solcher Metriken für die Nachhaltigkeit ermöglicht es Verbrauchern, Batterien miteinander zu vergleichen und sich bewusst für eine nachhaltige Batterie zu entscheiden. 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.