Mit der zunehmenden Verbreitung von tragbaren elektronischen Geräten, Batterie-betriebenen Autos und Speichern für erneuerbare Energien wächst auch der Bedarf an effizienten Batterien – weltweit. Aktuell sind elektrische Speichertechnologien, die auf Lithiumionen basieren, in ihrer Effizienz noch alternativlos. Doch sie haben erhebliche Nachteile, denn deren Rohstoffgewinnung und Produktion geht mit enormen Umweltproblemen und fragwürdigen Arbeitsbedingungen einher.
Jetzt haben Forschende der Chalmers University of Technology in Schweden eine neuartige Aluminiumbatterie entwickelt, die die Abhängigkeit von Lithium-Ionen-Batterien verringern könnte. Nach Angaben der Forschenden sind Aluminiumbatterien nicht nur für die elektrische Speicherung und Übertragung besser geeignet, sondern haben auch wesentlich geringere ökologische Auswirkungen.
Wie hoch sind die Umweltauswirkungen von Lithium?
Es gibt mehrere Gründe, warum Lithium-Ionen-Batterien aus ökologischer Sicht negativ bewertet werden. Erstens sind sie auf Lithium angewiesen, das nur im teuren Bergbau oder aus Mineralquellen und Solebädern gewonnen werden kann. Und obwohl das seltene Leichtmetall im Meerwasser in großen Mengen vorhanden ist, gibt es bisher kein kommerziell tragfähiges Verfahren, um Lithium daraus zu gewinnen.
Ein Großteil der weltweiten Lithiumvorkommen liegt unter den Salinen des sogenannten Lithium-Dreiecks in Bolivien, Chile und Argentinien. Die lithiumreiche Sole wird an die Oberfläche gepumpt und verdampft; ein Prozess, der rund zwei Millionen Liter Wasser pro Tonne Lithium erfordert. In Chile zum Beispiel werden 65 Prozent des gesamten Wassers im Bergbau verbraucht, sodass kaum Ressourcen für die Landwirtschaft und andere Sektoren zur Verfügung stehen. Die Notwendigkeit, einen Großteil des Lithiums der Welt aus nur einem kleinen geografischen Gebiet in die ganze Welt zu exportieren, bedeutet zudem hohe Kosten und einen hohen Kraftstoffverbrauch für den Transport, was dem Klima schadet.
Darüber hinaus benötigen Lithium-Ionen-Batterien auch Kobalt, ein weiteres wertvolles Metall, das vor allem in Ländern des globalen Südens, wie beispielsweise der Demokratischen Republik Kongo, vorkommt. Die wachsende Nachfrage nach Kobalt aus dem Technologiesektor hat zu einer weit verbreiteten, oft unregulierten Gewinnung unter gefährlichen und illegalen Bedingungen geführt. Dabei kommt es nicht nur immer wieder zu direkten Todesfällen, sondern auch zu einer Kontamination der Umgebung durch den Bergbau.
Sind Aluminiumbatterien eine umweltfreundliche Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien?
Die von der Chalmers University entwickelte Aluminiumbatterie ist nicht von seltenen Elementen und spezifischen Mineralien abhängig. Aluminium macht acht Prozent der Erdkruste aus und ist damit das dritthäufigste Element und das häufigste Metall. Damit ist es das am weitesten verbreitete Metall der Welt und wird auf praktisch allen Kontinenten gewonnen. Obwohl auch der Abbau und die Gewinnung von Aluminium Umweltschäden verursachen – insbesondere im Hinblick auf die Treibhausgasemissionen von Schmelzwerken – hält Patrik Johansson, Physiker an der Chalmers University, es für eine umweltfreundlichere Alternative zu Lithium:
„Die Materialkosten und Umweltauswirkungen, die wir uns von unserem neuen Konzept versprechen, sind deutlich geringer als der heutige Stand und ermöglichen eine großflächige Nutzung, wie beispielsweise Solarzellenparks oder die Speicherung von Windenergie.“
Aluminiumbatterien sind nicht ganz neu. Doch frühere Modelle verwendeten Graphit als Kathode, was bedeutete, dass sie oft eine teurere und manchmal weniger effiziente Batterie waren als Lithium-Ionen-Batterien. Das Chalmers-Team hinter der neuen Version hat diese Graphitkathode gegen eine organische Kohlenstoffverbindung namens „Anthrachinon“ ausgetauscht. Die Verwendung von Aluminium und Anthrachinon ermöglicht es der neuartigen Batterie, die doppelte Energiedichte gegenüber früheren „state of the art“ Aluminiumbatterien zu erreichen.
Trotz dieser Entwicklungen bleibt noch viel zu tun, um die Batterie von Chalmers in eine brauchbare kommerzielle Alternative zu verwandeln. Obwohl die Forschung zu vielversprechenden Annahmen geführt hat, sind weitere Arbeiten erforderlich, um den internen Chemikalienmix der Batterie zu verbessern. Man wolle auch das Innere der eigenen Schöpfung weiter „aufräumen“, erklärte der Chalmers-Forscher Niklas Lindahl:
„Da das neue Kathodenmaterial den Einsatz eines geeigneteren Ladungsträgers ermöglicht, können die Batterien das Potenzial von Aluminium besser nutzen. Jetzt setzen wir die Arbeit fort, indem wir nach einem noch besseren Elektrolyten suchen. Die aktuelle Version enthält Chlor – das wollen wir loswerden.“
In diesem Sinne mag es einige Zeit dauern, bis die neuen Aluminiumbatterien unsere Lithium-Ionen-Batterien ersetzen können, aber das Team ist überzeugt, dass seine Entdeckung das Potenzial für zukünftige Großanwendungen hat, einschließlich der Speicherung von Solar- und Windenergie. Auf jeden Fall soll diese Forschung ein oft übersehenes Element der „Green Tech Revolution“ hervorheben. Viele elektrische Geräte, vom Mobiltelefon über E-Roller bis hin zum Elektroauto, benötigen Batterien für ihren Gebrauch. Und die Geräte werden größer und komplexer, ebenso wie die Batterien, die mehr Lithium und mehr Kobalt benötigen, oft zu niedrigeren Kosten. Um sich die Dimensionen unseres Lithium-Bedarfs einmal vor Augen zu führen: Eine einzige Elektro-Auto-Batterie benötigt rund zehn Kilo Lithium. Allein seit 2016 hat sich der weltweite Lithiumabbau mehr als verdoppelt und Experten schätzen, dass bis 2030 jedes Jahr mehr als 240.000 Tonnen Lithium in der Automobilindustrie gebraucht werden.
Es sei daran erinnert, dass Europas umweltfreundliche grüne Technologien oft auf Kosten derer gehen, die in den Ländern des globalen Südens leben. Hoffentlich wird die vom schwedischen Team entwickelte Aluminiumbatterie dazu beitragen, die ökologischen Auswirkungen des technologischen Appetits des Westens zu verringern.
Dieser Artikel ist eine Übersetzung von Sarah-Indra Jungblut. Das Original erschien zuerst auf unserer englischsprachigen Seite.
