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Energie

Elektromobilität Die schwierige Suche nach der kobaltfreien Batterie

Tesla soll mit dem Zellhersteller CATL über kobaltfreie Batterien verhandeln. Die Entwicklung von Alternativen für den Rohstoff laufen auf Hochtouren.
20.02.2020 - 17:11 Uhr Kommentieren
Fast 60 Prozent der weltweiten Kobaltvorkommen liegen im Kongo. 
Kobaltmine

Fast 60 Prozent der weltweiten Kobaltvorkommen liegen im Kongo. 

Düsseldorf Wer sich heutzutage ein Elektroauto kauft, tut dies oft in dem Glauben, etwas Gutes für Mensch und Umwelt zu tun. Aber obwohl die Ökobilanz der Stromer deutlich besser ist als die eines Verbrenners, haben auch Elektroautos ihre Schattenseiten. Eine sehr große davon ist der Einsatz von Kobalt, ohne das fast keine Batterie auskommt. Das Schwermetall ist sehr umstritten.

Kobalt wird oft unter prekären Bedingungen in Ländern wie der Demokratischen Republik Kongo abgebaut. Nicht selten ist Kinderarbeit in den oft ungesicherten Minen Normalität. Zwar gibt es auch Kobalt-Vorkommen in Australien und Kanada, knapp 60 Prozent des wertvollen Rohstoffes liegen allerdings im Kongo. 

Der Elektroauto-Pionier Tesla hatte sich schon vor zwei Jahren zum Ziel gesetzt, als erster Hersteller kobaltfreie Batterien in seinen Autos zu verbauen. Jetzt scheint das US-Unternehmen seinem Ziel ein gutes Stück näher. In China will Tesla offenbar erstmals Akkus einsetzen, die ohne das Schwermetall auskommen.

Dazu befinde sich der Konzern in fortgeschrittenen Gesprächen mit dem chinesischen Batteriehersteller CATL, wie die Nachrichtenagentur Reuters unter Berufung auf mit der Angelegenheit vertraute Personen berichtete. Auf Anfrage wollten zwar weder Tesla noch CATL zu den Gerüchten Stellung nehmen.

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    CATL soll aber in den vergangenen Monaten Fortschritte bei der Dichte und Sicherheit einer Lithium-Eisenphosphat-Batterie erzielt haben. Durch diese sauberere und günstigere Alternative rechnet Tesla Insidern zufolge mit Einsparungen im zweistelligen Prozentbereich. „Das wäre schon eine interessante Ankündigung“, kommentiert Rohstoff-Experte Matthias Buchert vom Öko-Institut. 

    Kobalt verbessert die Leistung der Batterie

    Die kobaltfreie Eisenphosphat-Variante gebe es war schon lange, bislang kommt sie aber hauptsächlich im Niedrigpreis-Segment bei Autos und Bussen in China zum Einsatz. „In den letzten Jahren hat sich die kobalthaltige Batteriezelle durchgesetzt, weil sie einfach eine bessere Leistung hat“, erklärt Buchert. Für den Elektroauto-Akku spielt das Erz eine zentrale Rolle.

    Für eine Lithium-Ionen-Batterie sind vor allem zwei Dinge wichtig: die Anode, also der geladene Pluspol, der Elektronen aufnimmt – und die Kathode, der Minuspol, der die Elektronen wieder abgibt. Und genau hier, in der Kathode, kommt Kobalt zum Einsatz. Der Rohstoff sorgt für eine höhere Energiedichte und verbessert die Leistung der Batterie.

    Die weltweiten Kobalt-Reserven sind zwar reichlich, aber begrenzt. Außerdem ist das Metall meist schwer zugänglich und kostspielig: Für die Produktion von Kobalt braucht es viel Energie, um das Erz zu zerkleinern und zu mahlen.

    Allein in den nächsten fünf Jahren rechnet die Unternehmensberatung Roland Berger damit, dass die Nachfrage nach dem umstrittenen Metall durch den erwarteten Elektroauto-Boom um über 35 Prozent nach oben schnellen wird. Grund genug, eine Alternative zu dem kostspieligen und umstrittenen Rohstoff zu suchen.

    Der japanische Konzern Panasonic hat sich zum Ziel gesetzt, den Kobaltgehalt langfristig auf null Prozent zu reduzieren. Und der aus China stammende Batterieproduzent BYD stellt schon lange Eisenphosphat-Akkus her – in London fahren sie in Elektrobussen sogar auf den Straßen.

    Dass sie sich durchsetzen, glaubt Experte Buchert trotzdem nicht. „Die Eisenphosphat-Batterie wäre ein technologischer Schritt rückwärts. Nickel-Mangan-Kobalt oder Nickel-Kobalt-Aluminium-Akkus haben einfach die besseren Parameter“, erklärt er. 

    Immer mehr Forschung zu Alternativen 

    Aber die Eisenphosphat-Batterie ist lange nicht die einzige Alternative, an der zur Zeit geforscht wird. Das Forschungszentrum in Jülich beispielsweise experimentiert gerade an Akkus, die auf Eisen und Sauerstoff basieren. Investoren spekulieren außerdem, dass auch das Metall Vanadium zukünftig eine Option sein könnte – wie auch Systeme mit Natrium-Ionen, Magnesium und Kalium.

    Ein Team um Mahdokht Shaibani von der Monash University im australischen Melbourne hat erst vor wenigen Wochen große Fortschritte bei der Forschung nach einer Lithium-Schwefel-Batterie verkündet. An dem Projekt sind auch Wissenschaftler der Technischen Universität Dresden und des ebenfalls dort ansässigen Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik beteiligt, wo auch die ersten Prototypen des Akkus produziert wurden.

    Sie sollen sogar eine höhere Energiedichte als Lithium-Ionen-Batterien aufweisen können. Aber an der Schwefel-Batterie arbeiten Forscher schon seit vielen Jahren – und ein Durchbruch ist bislang ausgeblieben. Auch die von dem IT-Dienstleister IBM entwickelte kobaltfreie Kathode steht noch am Anfang.

    Der US-Konzern stellte Ende des vergangenen Jahres seine Forschungsergebnisse vor, nach denen Mineralien aus Meerwasser gewonnen werden können. Das neuartige Verfahren wurde zusammen mit der Forschungsabteilung von Mercedes-Benz, dem Batterie-Elektrolythersteller Central Glass und dem Batteriehersteller Sidus entwickelt. Bis Ende des Jahres soll es den ersten Prototypen geben.

    Aber mit neuen Alternativen kommen neue Probleme. Laut Buchert haben die kobaltfreien Rohstoffmischungen nicht nur Auswirkungen auf die Anzahl der Ladezyklen, sondern auch auf die Temperaturempfindlichkeit, die Entsorgung, die Stabilität, die Wirtschaftlichkeit und nicht zuletzt die Energiedichte, von der Größe und Gewicht abhängen.

    Lithium-Ionen-Batterien haben einen großen Vorsprung

    „Der Trend geht deswegen dahin, den Kobaltanteil immer weiter zu reduzieren“, beobachtet Buchert. Anstatt also auf eine komplett kobaltfreie Batterie zu setzen, arbeiten die meisten Hersteller im Moment darauf hin, den Anteil des umstrittenen Rohstoffs lediglich immer kleiner werden zu lassen.

    Dabei hat sich allein in den vergangenen zehn Jahren schon einiges getan. Hatten Batterien damals noch einen Kobaltanteil von über 30 Prozent, sind es heute schon deutlich unter zwanzig. Marken wie BMW haben bereits angekündigt, zukünftige Autos mit Batterien auszurüsten, in denen der Kobaltgehalt bei nur noch zehn Prozent liegen wird. „Die besten der Akkus kommen sogar schon mit gerade einmal fünf Prozent aus.“ 

    Das verringert zwar das moralische Dilemma, verschwunden ist es damit aber noch lange nicht. Zumindest bleibt die bessere Reichweite der kobalthaltigen Akkus ein Vorteil. Dass der konkurrierende Lithium-Eisenphosphat-Akku das Rennen langfristig gewinnt, halten Experten deswegen für unwahrscheinlich.

    Lithium-Ionen-Batterien haben einen unwahrscheinlich großen Vorsprung, den sie mit dem erwarteten Elektroauto-Boom in den nächsten Jahren sogar noch ausbauen dürften. Um den Verbrauch an Rohstoffen wenigstens zu begrenzen, fordern Experten zumindest ein funktionierendes Recyclingsystem.

    Laut einer Studie des Öko-Instituts könnten 2030 zehn Prozent des Lithium- und Kobaltbedarfs aus Recycling kommen – 2050 schon 40 Prozent. Eigentlich wollte die Bundesregierung das in ihrer jüngsten Novelle des Batterie-Gesetzes (BattG) berücksichtigen.

    Die geforderten Recyclingquoten für einzelne Rohstoffe wie eben Kobalt, sucht man in dem im Januar vorgestellten Entwurf für das neue Batteriegesetz jedoch vergeblich. Entscheidender ist zwar ohnehin die neue Batterie-Richtlinie auf EU-Ebene. Die kommt allerdings frühestens Anfang des nächsten Jahres.

    Mehr: Lithium-Ionen-Batterien sind ein Milliardengeschäft – mit Schattenseite. 

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