KIT: Lithium und Kobalt könnten bald Mangelware sein

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Die Verfügbarkeit von Lithium und Kobalt, als wesentliche Bestandteile von Lithium-Ionen-Batterien, könnte langfristig kritisch werden. Das schreiben die Forscher des vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) gegründeten Helmholtz-Instituts Ulm (HIU) in ihrer Analyse, die sie in der Zeitschrift „Nature Reviews Materials“ veröffentlicht haben. „Generell wird die schnell wachsende Marktdurchdringung von Lithium-Ionen-Batterien für mobile und stationäre Anwendungen insbesondere bei Lithium und Kobalt zu einer steigenden Rohstoffnachfrage führen“, sagt Stefano Passerini, der die Studie zusammen mit Daniel Buchholz am HIU geleitet hat.

Dabei ist Kobalt nicht nur wegen seiner begrenzten Verfügbarkeit umstritten. Auch seine Toxizität sei problematisch. Bislang wird Kobalt als wesentlicher Bestandteil der positiven Elektrode in Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt und ist ausschlaggebend für Energie- und Leistungsdichte sowie Lebensdauer, wie es weiter heißt. Die Wissenschaftler haben mit einer Szenario-basierten Analyse bis 2050 für verschiedene Anwendungen von Batterien aufgezeigt, dass der Preisanstieg und die Knappheit von Kobalt wahrscheinlich auftreten wird, da die Nachfrage durch Batterien zweimal so hoch sein könnte wie die heute identifizierten Kobaltreserven. Die Lithiumreserven seien dagegen ausreichend. Dennoch müsse in diesem Sektor die Produktion stark hochskaliert werden, um die Nachfrage decken zu können, schreiben die Wissenschaftler. Je nach Szenario könne bis zu einer Verzehnfachung der Produktion notwendig werden.

In ihrem Beitrag weisen die Forscher auch daraufhin, dass sich die Lithium- und Kobaltreserven in einigen Regionen stark konzentrieren. Sie befänden sich vorwiegend in Ländern, die als politisch weniger stabil eingestuft werden. Die Wissenschaftler befürchten daher, dass es bereits in naher Zukunft zu einer Verknappung und einem damit verbundenen Preisanstieg bei Lithium-Ionen-Batterien kommen werde.

Dieser Ressourcendruck könnte verringert und langfristig ausgeschlossen werden, wenn kobaltfreie Energiespeichermaterialien und Post-Lithium-Technologien, die auf unkritischen Elementen wie Natrium, Magnesium, Kalzium oder Aluminium basieren, stärker in den Fokus gerückt würden. „Um diese Risiken zu verringern und den Druck auf die Kobalt- und Lithiumreserven zu reduzieren, ist es unerlässlich, die Forschungsaktivitäten auf alternative Batterietechnologien auszuweiten“, erklärte Buchholz. Post-Lithium-Batteriesysteme seien besonders attraktiv für die Elektromobilität und stationäre Anwendungen. „Daher ist es äußerst wichtig und dringend, ihr Potenzial auszuschöpfen und diese innovativen, hochenergetischen Batterien zur Marktreife zu entwickeln“, betont Stefano Passerini, stellvertretender Direktor des HIU.

Erst kürzlich hat sein Institut ein globales Szenario für Batterieanwendungen in der Elektromobilität bis 2050 entworfen. Auch hier ergab sich eine sehr kritische Verfügbarkeit von Kobalt für die Massenproduktion von Lithium-Ionen-Batterien. Zudem ermittelten die Forscher, dass die Preise für den Rohstoff bereits zwischen 2016 und 2017 innerhalb eines Jahres um mehr als 120 Prozent gestiegen sind. Die Etablierung einer zirkularen Batterieökonomie mit hoher Recyclingrate würde nach Auffassung der HIU-Wissenschaftler den Druck auf kritische Materialien abbauen.

Um Technologien jenseits von Lithium-Ionen-Batterien weiterzuentwickeln, hat das KIT gemeinsam mit der Universität Ulm einen Antrag für ein Exzellenzcluster „Energy Storage beyond Lithium: New storage concepts for a sustainable future“ erarbeitet. Dabei soll die Entwicklung von Natrium-Ionen-, Magnesium-Ionen- und anderen Batterien basierend auf reichlich vorhandenen Materialien vorangetrieben werden. Auch das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoffforschung Baden-Württemberg (ZSW) und die Justus-Liebig-Universität Gießen sind daran beteiligt, wie es vom KIT hieß.