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Eine Batterie besteht, vereinfacht gesagt, aus vier Hauptkomponenten: Kathode (Minuspol), Anode (Pluspol), Separator und Elektrolyte. Zwischen den beiden Polen befinden sich flüssige Elektrolyte. Sie sorgen dafür, dass sich die Ionen zwischen der Anode und der Kathode hin- und herbewegen – je nachdem, ob die Batterie gerade geladen oder entladen wird. Antriebsbatterien, wie sie für Elektroautos verwendet werden, werden auch als Hochvoltspeicher, Traktionsbatterie oder Zyklenbatterie bezeichnet. Sie sind aus mehreren miteinander verbundenen Einzelbatterien zusammengesetzt, die wiederum aus parallel und seriell zusammengeschalteten Akku-Zellen oder Zellenblöcken bestehen. Die Traktionsbatterie der meisten Elektroautos liefert eine Spannung von 400 Volt. Beim Porsche Taycan sind es sogar 800 Volt.
Die Batterien für Elektroautos müssen einerseits möglichst leicht und klein, andererseits jedoch auch leistungsstark und langlebig sein. In den modernen Elektroautos kommen deshalb hauptsächlich Lithium-Ionen- und selten Lithium-Polymer-Batterien zum Einsatz. Bei den Lithium-Ionen-Akkus wird Elektrolytflüssigkeit verwendet, bei den Lithium-Polymer-Batterien Gel aus Polymer-Kunststoff. Im Unterschied zu anderen Akkus weisen sie die höchste Energiedichte auf. Pro Kilogramm Eigengewicht können diese Batterien die meiste Energie speichern. Zudem haben sie eine geringe Selbstentladung, wenn zum Beispiel ein Elektroauto über längere Zeit nicht gefahren wird.
Als Vorgänger der Lithium-Ionen-Batterie gilt der Nickel-Cadmium-Akku. Dieser ist zwar robust, verkraftet Temperaturschwankungen besser und lädt schneller. Doch weil er eine schlechte Umweltbilanz hat, wird er bei Autos nicht mehr eingesetzt. Bei Cadmium handelt es sich um ein Schwermetall, das ein Umweltgift ist. Ausserdem sollten Nickel-Cadmium-Akkus erst aufgeladen werden, wenn sie ganz leer sind, was für E-Autos nicht ideal ist. Zusätzlich ist die Selbstentladungsrate von Nickel-Cadmium-Akkus relativ hoch.
Wie in jedem Auto mit Verbrennungsmotor ist in einem Elektroauto noch eine kleine 12-Volt-Batterie verbaut. Sie hilft beim Starten des Elektromotors und liefert den Strom für die Zentralverriegelung, das Innenlicht, die Instrumente und die Servolenkung. In vielen E-Autos verwenden die Hersteller die exakt baugleichen Bleibatterien wie in den Modellen mit Verbrennungsmotoren. In höherklassigen Elektroautos findet man zunehmend die leichteren Lithium-Eisen-Phosphat-Batterien anstelle der Bleiakkus.
Die Vor- und Nachteile der Lithium-Ionen-Technologie auf einen Blick:
Vorteile
+ hohe Energiedichte
+ hohe Lebensdauer
+ geringes Gewicht
Nachteile
- hohe Produktionskosten
- aufwendiges Batteriemanagement
- entzündlich
- Kühlung erforderlich
- fragwürdige Rohstoffgewinnung
Mobilität wird immer Auswirkungen auf die Umwelt haben. Doch es geht darum, die Belastungen für Mensch und Umwelt zu reduzieren und möglichst gering zu halten Für die Produktion von Autos braucht es Energie und Rohstoffe. Bei den Elektroautos steht dabei vor allem die Produktion der Akkus im Fokus, für die es neben Nickel und Mangan auch Kobalt und Lithium braucht. Kobalt, ein glänzendes, silbergraues Metall, das sich durch Härte, Festigkeit und Zähigkeit auszeichnet, wird etwa zu zwei Dritteln in der Demokratischen Republik Kongo abgebaut – zum Teil unter menschenunwürdigen Bedingungen und durch Kinder. 2020 kamen 95’000 Tonnen Kobalt aus der DR Kongo. Der zweitgrösste Produzent war mit grossem Abstand Russland mit 6300 Tonnen, vor Australien mit 5700 Tonnen.
Ein nachhaltiger Abbau im Entwicklungsland Demokratische Republik Kongo ist eine langfristige Herausforderung. Entlang der gesamten Wertschöpfungskette beteiligt sich der Volkswagen-Konzern an Nachhaltigkeitsinitiativen wie der Responsible Minerals Initiative (RMI) oder der Global Battery Alliance des Weltwirtschaftsforums. Hinzu kommen interne Vorgaben und Überprüfungen entlang der Lieferkette, die durch die erhöhte Transparenz – aufgrund des direkten Bezugs von Material – vereinfacht werden.
Die RMI ist daran, ein Zertifizierungssystem für Kobaltschmelzen zu entwickeln, um die Abbaubedingungen zu verbessern und die Herkunft des Materials nachvollziehbar zu machen. Die Arbeitsgruppe Drive Sustainability entwickelt dafür einheitliche Monitoring-Instrumente und Nachhaltigkeitstrainings für Lieferanten.
Von grösster Wichtigkeit ist auch die substanzielle Reduktion des Kobaltanteils in der Lithium-Ionen-Batterie. Vom heutigen Gewichtsanteil von 12 bis 14 Prozent in der Kathode soll der Anteil des Rohstoffs bis 2023/2025 auf 5 Prozent sinken. Volkswagen arbeitet ausserdem an der Entwicklung von Batteriezellen, die ganz ohne Kobalt auskommen.
Maximilian Fichtner, Professor und Experte für Batterietechnologie an der Universität Ulm und am Karlsruher Institut für Technologie, hält einen kompletten Ausstieg beim Kobalt für möglich und für geboten: «Nicht nur wegen der Menschenrechts-Problematik, sondern auch wegen der begrenzten Reserven.» Eine gute Alternative sei bereits vorhanden: Lithium-Eisenphosphat. «Dieses Material ist kostengünstig, nachhaltig verfügbar und ungiftig», sagt er. Auch der sogenannte Manganspinell könnte eine Option sein.
Lithium wird grösstenteils aus den Salzseen in Südamerika – vor allem in Chile, Argentinien und Bolivien – durch Verdunstung gewonnen. Die Produktion hat problematische Aspekte: Dafür wird Grundwasser gebraucht, was möglicherweise das Austrocknen der umliegenden Landschaft fördert. Diese Problematik betrifft viele indigene Völker. Aus der Sicht etlicher Experten ist es hingegen unklar, ob und wie stark die Trockenheit tatsächlich mit dem Lithium-Abbau zu tun hat.
Klar ist aber: Für die Gewinnung von Lithium wird kein Trinkwasser benötigt. Für Maximilian Fichtner zeichnet sich für das Lithium bis jetzt kein überzeugender Ersatz ab. «Allerdings sehe ich die Lage hier auch deutlich unkritischer, denn die weltweiten Vorräte an Lithium reichen erheblich länger als diejenigen an Kobalt», erklärt er. Zur Lithium-Gewinnung aus Salzseen gibt es durchaus Alternativen, zum Beispiel den Erzbergbau. Zudem sind alle Lithium-Zulieferer von Volkswagen vertraglich verpflichtet, sich an hohe Umwelt- und Sozialstandards zu halten.
Die Feststoffbatterien gelten als die Zukunft der Elektromobilität, denn sie sollen eine rund doppelt so grosse Reichweite haben und viel sicherer sein als die gegenwärtigen Lithium-Ionen-Batterien. Diese Super-Akkus sind zwar auch Lithium-Ionen-Batterien, kommen aber ohne flüssige Elektrolyte aus. Dadurch laufen sie nicht aus und können kaum Feuer fangen. Deshalb entfallen die finanziellen Aufwendungen für ihren Schutz und für das Temperaturmanagement. Dadurch sind Feststoffbatterien leichter und kostengünstiger. Ein weiterer Pluspunkt: Sie lassen sich viel schneller aufladen als die gegenwärtigen Lithium-Ionen-Batterien – in rund der Hälfte der Zeit.
Volkswagen plant mit dem US-amerikanischen Partner Quantumscape, in Salzgitter eine eigene Fabrik für Feststoffbatterien zu bauen.
Vor- und Nachteile der Feststoffbatterie:
+ sicher
+ Reichweite
+ keine Flüssigkeit, nicht entflammbar
+ keine Entladung
- geringe Stromstärke
- auch hier wird noch Lithium genutzt, der negative Umweltaspekt bleibt bestehen
Im Auftrag des deutschen Think Tanks «Agora Verkehrswende» führte das Institut für Energie- und Umweltforschung in Heidelberg 2019 die Studie «Klimabilanz von strombasierten Antrieben und Kraftstoffen» durch. Darin wurden Batterien, Brennstoffzellen und E-Fuels miteinander verglichen. Die wichtigsten Erkenntnisse daraus lauten:
• Damit Klimabilanzen von strombasierten Antrieben und Treibstoffen vergleich- und belastbare Ergebnisse liefern, muss sichergestellt werden, dass gleiche Annahmen zur Energiebereitstellung getroffen werden.
• In der Klimabilanz eines Brennstoffzellenfahrzeugs, das mit elektrolytisch hergestelltem Wasserstoff aus deutschem Strommix betrieben wird, liegen die Treibhausgasemissionen 75 Prozent über denen eines Batteriefahrzeugs mit 35 kWh Batteriekapazität. Beim Vergleich mit einem Batteriefahrzeug mit 60 kWh im reinen Autobahnbetrieb liegen die Emissionen um 56 Prozent darüber.
• Klimabilanz: Bei einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor, das mit strombasierten Flüssigkraftstoffen aus deutschem Strommix betrieben wird, sind die Treibhausgasemissionen rund dreimal so hoch wie bei einem Batteriefahrzeug mit 35 kWh.
• Sollen Wasserstoff oder strombasierte Kraftstoffe im Verkehr einen Klimaschutzbeitrag leisten, so muss sichergestellt werden, dass bei ihrer Produktion ausschliesslich Wind- oder Solarstrom aus zusätzlichen Kapazitäten verwendet wird.
Der Volkswagen-Konzern gibt auf die Hochvoltbatterie eines Elektrofahrzeugs eine Garantie von acht Jahren beziehungsweise von 160’000 Kilometern. Die meisten Batterien werden ein Autoleben sogar um Jahre überdauern. Sollte dennoch ein Defekt auftreten, können die betroffenen Komponenten diagnostiziert und einzeln ausgetauscht werden. Der Tausch eines kompletten Batteriepakets ist also nicht nötig. Arbeiten an Hochvoltbatterien werden an speziell ausgebildeten Stützpunkten von einem Hochvoltexperten (HVE) in spezieller Schutzausrüstung durchgeführt.
Die Verlängerung der Lebensdauer einer Batterie spielt eine zentrale Rolle bezüglich der Umweltfreundlichkeit der E-Mobilität. Die Batterien sollen in erster Linie repariert bzw. aufbereitet oder zur vollständigen Weiterverwendung in Second-Life-Projekte überführt werden. So gibt es innerhalb des Volkswagen-Konzerns eine Vielzahl von Second-Life-Grossspeicherprojekten. Dort kommen gebrauchte Fahrzeugakkus im Verbund als riesige Batterie zum Einsatz – sowohl in den Volkswagen-Werken als auch in Kooperationsprojekten mit Versorgungsgesellschaften und Städten.
Die Lebensdauer einer Batterie kann durch derartige weitere Einsätze deutlich verlängert werden.
https://www.volkswagen.de/de/elektrofahrzeuge/elektromobilitaet-erleben/elektroauto-technologie/zweites-leben-fuer-gebrauchte-akkus.html
Neben Re-Use, der Weiterverwendung ausserhalb des Fahrzeugs, gibt es noch die Refabrikation: Die gebrauchten Batterien werden durch den Austausch einzelner Bauteile wieder für einen Einsatz im Elektrofahrzeug aufbereitet. Alternativ bietet sich auch hier nach einer Teilzerlegung der Batterie in ihre Module eine Weiterverwendung in stationären Speichern an.
Was passiert mit den Batterien, wenn sie das Ende ihres Lebens erreichen? Die Abteilung «Forschung und Entwicklung» des Volkswagen-Konzerns hat eine Recycling-Lösung gefunden und sie gemeinsam mit Volkswagen Group Components serienreif gemacht. Es ist ein innovatives und nachhaltiges Verfahren, mit dem Batterien recycelt werden. Das Verfahren wird am deutschen Standort Salzgitter in einer Pilotanlage erstmals eingesetzt. Ziel ist es, über 90 Prozent der Batterie zu recyceln und Wertstoffe wie Kobalt, Nickel, Mangan oder Lithium in den Kreislauf zurückzuführen. In der Schweiz ist eine nationale Lösung denkbar.
Ins Recycling gelangen ausschliesslich Batterien, die wirklich nicht mehr anders nutzbar sind. Denn zuvor wird geprüft, ob die Akkus noch in einem genug guten Zustand sind, um möglicherweise ein zweites Leben in mobilen Energiespeichern wie flexiblen Schnellladesäulen oder Laderobotern zu erhalten. So lässt sich ihre Nutzungsdauer erheblich verlängern.
Das Paul-Scherrer-Institut hat das Webtool «Carculator» entwickelt. Damit kann die Ökobilanz von Personenwagen verglichen werden. Das Programm ermittelt die Ökobilanz von Fahrzeugen mit unterschiedlichen Antriebsarten und stellt sie in Vergleichsgrafiken dar. Dabei wird der gesamte Lebenszyklus der Personenwagen berücksichtigt, darunter auch die Herstellung der Fahrzeuge und die umweltrelevanten Emissionen beim Fahren. Allfällige Massnahmen und CO2-Kompensationen der Hersteller bei der Produktion – wie beispielsweise die Bestrebungen der Volkswagen AG, den ID.3 CO2-neutral an den Kunden auszuliefern – werden jedoch nicht berücksichtigt.