Für mehr Nachhaltigkeit: Die Experten um Projektkoordinator Jens Matthies Wrogemann wollen mit ihrer Forschung den Batterie-Lebenszyklus umweltfreundlicher gestalten. ©Bild: WWU– Münster View

Forschungsprojekt Green: CO2-Fussabdruck der Batterieproduktion soll grüner werden

(PM) Das deutsche Statistische Bundesamt hat genau nachgezählt: 2019 gingen 83.7 Millionen Lithium-Ionen-Batterien (LIB) über deutsche Ladentische. Deren Kohlendioxid (CO2)-Fussabdruck ist insbesondere bei der Herstellung derzeit noch gross. Da Batterien für die Energiewende und dem damit verbundenen Ausbau der Elektromobilität eine zentrale Rolle spielen, sollen sie zukünftig ‚grüner‘ werden. Mit dem interdisziplinären Verbundprojekt ‚Grüne Elektrochemische Energiespeicher‘ (Green) verfolgt das Meet-Batterieforschungszentrum der Universität Münster mit dem Fachbereich Biologie der WWU, dem Helmholtz-Institut Münster des Forschungszentrums Jülich und der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen ein Forschungsprogramm für einen nachhaltigeren Lebenszyklus von Batterien.


„Neben den Schlüsselanforderungen für Batterien – Leistung, Sicherheit, Energie, Lebensdauer und Kosten – wollen wir die Nachhaltigkeit der Wertschöpfungskette steigern“, erklärt Jens Matthies Wrogemann, wissenschaftlicher Koordinator des Projekts Green und seit 2017 Doktorand am Meet. „Dafür konzentrieren wir uns auf die Entwicklung von Batteriespeichertechnologien auf Basis umweltfreundlicherer Materialien für stationäre und mobile Anwendungen. Die bisherigen Herstellungsverfahren sind häufig zu energie- und rohstoffintensiv.“

Nachhaltigkeit immer wichtiger
Die LIB sind zurzeit die erste Wahl für tragbare Elektronikgeräte, Elektromobilität oder stationäre Energiespeicher. Der weltweite Markt für Lithium-Ionen-Batterien ist gross, die Nachfrage wächst stetig. Der Nachhaltigkeitsgedanke bei der Batterieproduktion spielt eine immer wichtigere und dennoch verbesserungsfähige Rolle – stets verbunden mit der Frage der Kosten. Um die Technologieeigenschaften nachhaltiger gestalten zu können, bietet sich vor allem der Austausch von aktuell verwendeten Materialien an. LIB sind geschlossene Systeme, die aus zwei Elektroden bestehen: der Anode (negative Elektrode) und Kathode (positive Elektrode). Getrennt sind die Anode und Kathode durch einen elektrolyt-getränkten Separator.

Während für die Kathode häufig Übergangsmetalle wie Kobalt und Nickel verwendet werden, setzt man auf der Anodenseite Kohlenstoffe wie Graphite zur Speicherung des Lithiums ein. Es gibt dabei zwei wesentliche Typen an Graphit – Naturgraphite und synthetische Graphite. Über die grössten Vorkommen von Naturgraphit verfügt China. Der Abbau und die Verarbeitung sind mit einer hohen Wasser- und Luftverschmutzung verbunden. Ausserdem gibt es unzureichende Kontrollen und Massnahmen, um die Umweltbelastung zu reduzieren. Bei der Herstellung von synthetischen Graphiten ist der Energieverbrauch hoch. Des Weiteren führt der grosse Anteil an kritischen und toxischen Metallen in der positiven Elektrode der LIB ebenfalls zu einer verbesserungsfähigen Ökobilanz der gegenwärtigen Batterien. Auch sind diese Materialien, insbesondere Kobalt, strategisch wertvoll und nur begrenzt verfügbar. Daher stufen die Experten der Europäischen Union diese Materialien als kritisch ein.

Kritische Materialien ersetzen
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Projekts Green wollen für die Batterieherstellung unter anderem den Anteil kritischer Materialien reduzieren beziehungsweise erneuerbare und nachhaltige Rohstoffe aus Biomasse und Abfallprodukten nutzen. „Wir beschäftigen uns damit, welche Materialien wir aus der Natur übernehmen können“, schildert Jens Matthies Wrogemann. Ein Beispiel für die Verarbeitung von organischen Rohmaterialien ist Kaffeesatz, aus dem synthetischer Graphit für die Anode gewonnen werden kann. Für die Reinigung von Naturgraphit suchen die Experten nach einem umweltfreundlicheren Verfahren. Auch der Verzicht beziehungsweise Austausch von toxischen Komponenten wie organischen Lösungsmitteln bei der Elektrodenproduktion streben die Forscher an. Damit sollen die umweltkritischen Rohstoffe schrittweise reduziert werden. Die CO2-effizientere Produktion in Kombination mit mehr Recycling von Materialien und Komponenten kann schliesslich zu einem „grüneren“ CO2-Fussabdruck führen. „Wir betreiben Grundlagenforschung und versuchen neue Möglichkeiten aufzuzeigen, nachhaltigere Batterien zu produzieren und die am Ende zu bewerten“, erläutert Jens Matthies Wrogemann. Eine Schwierigkeit ist die Vielzahl an speziell benötigten Batterietechnologien. Es gibt keine universelle Lösung für alle Anwendungen.

Mehrere Teilprojekte
Green läuft seit 2017 und endet im Dezember 2021. Aufgeteilt ist das Vorhaben in mehrere Teilprojekte, die sich mit der Entwicklung und Analytik von biogenen Elektroden-Aktivmaterialien, Elektrolyten und alternativen Zellkomponenten beschäftigen. Ökonomische und ökologische Aspekte, zu denen unter anderem die Recyclingfähigkeit und die Alterungsprozesse einer Batterie zählen, sind ebenfalls Projektgegenstand.

„Die Entwicklung von alternativen Batteriesystemen nehmen wir ebenfalls in den Blick. Denn die LIB nähern sich mit Blick auf ihre Energiedichte immer mehr ihrer physikalisch-chemischen Grenze“, betont Jens Matthies Wrogemann. „Aber viele Technologien stecken noch in den Kinderschuhen.“ Von der Grundlagenforschung des Projekts Green profitieren sowohl die Material- und Zellhersteller als auch die Anwender von Batterien. Zudem kann der nachhaltige und umweltfreundliche Ansatz die Akzeptanz von Batterien in der Bevölkerung steigern.

Text: Westfälische Wilhelms-Universität (WWU) Münster, Kathrin Nolte, Quelle: Unizeitung wissen|leben Nr. 2, 14. April 2021

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1 Kommentare

Max Blatter

Kann ein Fussabdruck "grün" sein? Ich dachte, er wäre einfach grösser oder kleiner! Na ja, wenn Algen an den Füssen kleben ... aber das ist wohl nicht gemeint.

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