Kobalt ist ein umstrittener Rohstoff. Das hat sowohl technische als auch ethische Gründe. Daher suchen Forscher nach Alternativen für das Kathodenmaterial.
Der Rohstoff Kobalt ist selten und wird oft unter zweifelhaften Umständen abgebaut. Ingenieure und Wissenschaftler forscher daher schon lange an kobaltfreien Batterien.
vchalup / stock.adobe.com
NMC-Akkumulatoren sind derzeit die verbreiteten Batterietypen für Elektrofahrzeuge. Sie bestehen aus verschiedenen Anteilen aus Nickel, Mangan und Kobalt. Diese Elemente sind Basis für das Kathodenmaterial. Die Kathode wiederum gilt als der Teil einer Lithium-Ionen-Batterie (LIB) mit dem größten Optimierungspotenzial für die Leistungs- beziehungsweise Energiedichte durch den Einsatz neuer Materialien.
Kobalt ist ein wichtiger Bestandteil, da es dazu beiträgt, die Energiedichte der Batterien zu erhöhen. "Es erhöht auch die Stabilität der Kathoden und verlängert die Lebensdauer der Akkus", erklären Forscher am Schweizer Paul-Scherrer-Institut (PSI). Kobalt sei jedoch extrem selten. Nur 0,004 % der Erdkruste bestünden aus diesem raren Metall, so die Wissenschaftler. Die Demokratische Republik Kongo verfüge dabei über die größten Kobaltvorkommen der Welt – etwa 70 % des weltweiten, jährlichen Bedarfs stammen aus dem zentralafrikanischen Land.
Kobalt aus Zentralafrika in der Kritik
Das Problem: Der Kobalt-Abbau im Kongo geschieht unter sozial und ökologisch fragwürdigen Bedingungen. Größtenteils erfolge er industriell; gemäß Schätzungen, so das PSI, entfielen zwischen 15 und 30 % auf den Kleinbergbau. "Das sind unabhängige Bergleute, oft auch Frauen und Kinder, welche teilweise mit unzureichender Ausrüstung in einsturzgefährdeten Tunnels von Hand nach dem begehrten Metall schürfen", heißt es. Die Lieferketten seien hierbei oft undurchsichtig, die Abbaubedingungen problematisch und die genaue Herkunft des Rohstoffs bliebe trotz Deklarierung der Bergbauunternehmen unbekannt. Die industrielle Förderung könne zudem zu Staub- und Schwefeldioxidemissionen sowie Verschmutzung von Trinkwasser, Böden, Feldern und Luft führen.
Autobauer reduzieren Kobalt-Anteil
Wie geht man nun mit diesem problematischen Metall in Batterien um? Wissenschaftler forschen seit Längerem an Lösungen. Ein Ansatz ist, die Verwendung des Kobalts einfach zu reduzieren. In den vergangenen Jahren ist der Kobalt-Anteil bereits gesunken – von einem Drittel (NMC-111) über ein Fünftel (NMC-622) bis auf ein Zehntel (NMC-811).
Die Strategie, den Anteil des umstrittenen Rohstoffs lediglich immer kleiner werden zu lassen, verfolgen einige Automobilhersteller. Der US-amerikanische Automobilkonzern General Motors etwa stellte 2022 seine neue Akku-Serie vor, die 70 % weniger Kobalt enthalten soll als die vorherige Generation. Beim BMW iX3 ist der Kobalt-Anteil im Akku um zwei Drittel gesunken. Auch in Tesla-Akkus soll der Anteil von Nickel und Kobalt immer geringer werden. Zudem basiert die Festkörperbatterie, die einige Unternehmen wie Toyota angekündigt haben, auf einer kobaltarmen Methode. Schließlich gibt es auch die Möglichkeit, einen höheren Anteil von recyceltem Kobalt zu verwenden, wie es etwa Audi tut.
Nickel und Eisen als Alternativen
Auch Forscher im Labor für Batterieelektroden und Zellen am PSI suchen nach einem Kobalt-Ersatz. Die verschiedenen Alternativen für Kobalt haben alle Vor- und Nachteile bezüglich Energiedichte, Lebensdauer, Ladedauer, Sicherheit, aber auch Rohstoffverfügbarkeit. Wichtig sei es, so das PSI, ein breites Spektrum an Technologien zu entwickeln, um sie für die Lösung verschiedener Probleme in unterschiedlichen Anwendungsbereichen einsetzen zu können. Damit ließe sich Kobalt reduzieren und die Abhängigkeit von einzelnen Rohstoffen umgehen.
Zum einen könnte der Nickelanteil zu Lasten des Kobalts erhöht werden. Nickel besitze sogar eine höhere Energiedichte als Kobalt, was bedeutet, dass Batterien mit einem höheren Nickelanteil potenziell mehr Energie speichern könnten, so die PSI-Forscher. Aktive Materialien für Lithium-Nickel-Eisen-Mangan-Batterien sind eine weitere Option, die am PSI erforscht wird. Das Eisen ersetze hier das Kobalt im Kathodenmaterial. Das Material habe eine sehr hohe Kapazität und ein hohes Arbeitspotenzial, wodurch eine viel höhere Energiedichte als bei herkömmlichen Batterien erreicht werden könne.
Natrium-Ionen-Batterien und LFP-Akkus
Auf eine komplett kobaltfreie Batterie zu setzen, ist auch eine Option. Diese Strategie verfolgt der chinesische Batterieherstellers CATL. Zum einen setzt CATL auf Natrium-Ionen-Batterien, die auf Lithium und Kobalt verzichten, zum anderen auf kobaltfreie Lithium-Eisenphosphat-Zellen. Weiteres Beispiel: Die Blade-Batterie des chinesischen Autobauers BYD, ebenfalls eine Lithium-Eisenphosphat (LFP)-Zusammensetzung, kommt ohne Kobalt, Nickel und Cadmium aus. Der chinesische Batteriehersteller Svolt hat mit der Produktion von kobaltfreiem Kathodenmaterial begonnen. Sie werden in Nickel-Mangan-Batteriezellen (NMX) eingesetzt.
Auch Europa ist aktiv. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) forscht gemeinsam mit elf europäischen Partnern im EU-Verbundprojekt Hydra an kobaltfreien Lithium-Ionen-Batterien. Die Elektroden der neuartigen Zellen sollen frei von Kobalt sein und 85 % weniger umweltschädliche Rohstoffe enthalten. Stattdessen wird bei den Zellen auf Eisen, Mangan und Silizium gesetzt. Das Hydra-Projekt ist bis Ende August 2024 angesetzt.
Kobaltfreie Kathode und Siliziumoxid-Anode
Das jüngste Beispiel für eine Batteriealternative ohne Kobalt kommt von einem japanischen Forschungsteam der Universität Tokio. Wie die Forscher im Fachmagazin "Nature Sustainability" schreiben, haben sie eine kobaltfreie Kathode mit einer Silizium-Suboxid (SiOx)-Anode kombiniert. Die Batterie besteht aus einer neuartigen Kombination der Elemente Lithium, Nickel, Mangan, Silizium und Sauerstoff. Der Elektrodenkombination liegt wiederum eine vielversprechende Elektrolytformulierung auf der Basis von 3,4 M LiFSI/FEMC zugrunde. Der neue Elektrolyt enthält neben Lithium, Stickstoff, Schwefel, Sauerstoff und Fluor auch eine spezielle Carbonat-Verbindung.
Die entwickelte Batterie soll eine um 60 % höhere Energiedichte als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien haben. Sie könne zudem mit 4,4 V auch eine höhere Zellspannung bereitstellen. Darüber hinaus sei der Akku langzeitstabil und weise nach 300 Lade- und Entladevorgängen noch 85 % der maximalen Speicherkapazität auf.