Im Rausch des weißen Goldes

Es gilt nicht zu Unrecht als das „weiße Gold des 21. Jahrhunderts”. Nein, es geht dabei nicht um Salz, auch wenn der Rohstoff beim neuen weißen Gold ebenfalls eine Rolle spielt. Es ist das Leichtmetall Lithium, das einer der wichtigsten Bestandteile von Batterien für Smartphones, Laptops oder eben Elektroautos darstellt. Die Nachfrage des unter anderem in Salzseen vorkommenden Schlüsselrohstoffs für die elektromobile Wende wird in den kommenden Jahren massiv zulegen.

Zahlen von GlobalData zufolge wird sich die weltweite Lithium-Produktion zwischen 2018 und 2022 auf 154 Kilotonnen verdreifachen. Das Beratungshaus Roland Berger hat errechnet, dass sich allein der Markt für Lithium-Ionen-Batterien bis zum Jahr 2025 auf mehr als 1.000 Gigawattstunden vervierfacht, im Jahr 2030 soll er nahezu 2.000 Gigawattstunden umfassen.

Kein Wunder also, dass längst ein Rennen um die weltweiten Lithium-Reserven entbrannt ist. Erst vergangenen Dezember hat sich das deutsche Unternehmen ACISA über ein Joint Venture Zugriff auf riesige Vorkommen in einem bolivianischen Salzsee gesichert – unterstützt durch die Bundesregierung. Ab 2022 sollen dort jährlich bis zu 40.000 Tonnen Lithiumhydroxid abgebaut werden, mit denen Hunderttausende Elektrofahrzeuge versorgt werden könnten.

Doch wie andere Bestandteile der E-Auto-Batterie wie Kobalt oder Mangan kommt Lithium nur selten auf der Erde vor und ist darüber hinaus endlich. In der Erdkruste hat das Metall lediglich einen Anteil von 0,006 Prozent und soll nach einigen Prognosen schon ab 2050 knapp werden. Und es gilt für die Batterieproduktion trotz seiner Vorzüge beispielsweise in Sachen Energiedichte nicht als makellos. So verfügen Lithium-Ionen-Batterien über eine vergleichsweise geringe Lebensdauer, bedingen lange Ladezeiten und ermöglichen nur begrenzte Reichweiten.

Trotz des anhaltenden Booms machen sich daher derzeit viele Forscher Gedanken über das Post-Lithium-Zeitalter. Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) beispielsweise hat sich Magnesium als Alternative zum weißen Gold vorgenommen. Im Gegensatz zu Lithium ermögliche der Stoff als Anodenmaterial eine noch höhere Energiedichte und sei deutlich sicherer, sagen die Wissenschaftler. So bilden sich zum Beispiel an Magnesium-Anoden keine Dendrite – elektrochemische Ablagerungen, die bei Lithium-Ionen-Batterien nadelartige Strukturen bilden und Störungen oder sogar gefährliche Kurzschlüsse verursachen können.

„Magnesium ist ein vielversprechendes Material und einer der wichtigsten Kandidaten unserer Post-Lithium-Strategie“, sagt Professor Maximilian Fichtner, stellvertretender Leiter des Helmholtz-Instituts Ulm (HIU), das vom KIT und anderen Partnern des Projekts „E-Magic“ zur Erforschung und Entwicklung elektrochemischer Batteriekonzepte gegründet wurde. „Eine breite Verfügbarkeit von Magnesiumbatterien könnte die Elektrifizierung von Mobilität und den Ausbau dezentraler Heimspeicher entscheidend voranbringen“, so Fichtner.

Bis dato können Magnesium-Batterien ihren Lithium-Ionen-Schwestern in Sachen Lebensdauer noch nicht das Wasser reichen. Ist dieses Problem erst einmal gelöst, könnte sich spätestens zum Zeitpunkt, wenn die Lithium-Vorkommen zur Neige gehen, ein weiterer Pluspunkt des in Mineralen vorkommenden Metalls zum Tragen kommen. Als Element ist Magnesium auf der Erde etwa 3.000 Mal häufiger vertreten als Lithium und kann zudem einfacher recycelt werden. Somit wäre das Erdalkalimetall um ein Vielfaches günstiger als sein leichterer Nachbar im Periodensystem.

Freilich lässt sich auch die bestehende Batterietechnologie auf Lithium-Basis weiter optimieren, um die Nachteile wettzumachen. So setzen Autohersteller wie Volkswagen auf die Fortentwicklung der Feststoffbatterie – eine von der Branche schon länger als Wunderwaffe im Rennen um Reichweite und Ladezeiten betrachtete Akku-Technologie. „Die Feststoffbatterie wird eine Wende bei der Elektromobilität markieren“, erklärt Volkswagens Leiter der Konzernforschung Axel Heinrich.

Feststoffbatteriezellen kommen ohne brennbare flüssige Elektrolyte aus und verbessern so die Betriebssicherheit und sind zudem – dank weniger aufwendiger Sicherheitskapselung – in Sachen Größe und Gewicht vorteilhaft gegenüber herkömmlichen Li-Ion-Batterien. Durch den Einsatz von metallischem Anodenmaterial mit Lithium versprechen Festkörperbatterien darüber hinaus eine höhere Energiedichte und wesentlich kürzere Ladezeiten.

Seit diesem Jahr versucht das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung (ISC) im Rahmen eines neuen Forschungsprojekts die einzelnen Komponenten der Feststoffbatterie, also Anode, Kathode und Elektrolyt, in einem stabilen Gesamtsystem zusammenführen. Ziel sei die Entwicklung einer Festkörperbatterie, die einen stabilen Lade- und Entladezyklus bei Raumtemparatur ermöglicht und sich zügig aufladen lässt. In einem weiteren Schritt sollen dann erste Festkörperzellen in Kleinserie produziert werden.

Die Feststoffbatterie-Technologie könnte für die für das nächste Jahrzehnt terminierte E-Auto-Revolution wie ein Katalysator wirken. Und dennoch löst auch sie nicht das Problem, dass die Rohstoffe für entsprechende Zellen endlich sind. Das gilt für das boomende Lithium genauso wie für das Alternativmaterial Magnesium. Gelingen jedoch deutliche Sprünge bei Effizienz und Nachhaltigkeit sowie eine Steigerung des Anteils anderer Batterierohstoffe, könnte dieser Zeitpunkt deutlich jenseits aktueller Prognosen verschoben werden.