Elektroautobatterien: Wohin geht die Reise?

Auf der ganzen Welt arbeiten Forscherinnen und Forscher an der Verbesserung von Elektroautobatterien. Dabei spielen nicht nur die verwendeten Materialien und die Leistungsfähigkeit, sondern auch das Recycling eine wichtige Rolle. Batterien entwickeln sich rasant weiter.

Elektroautobatterien: Wohin geht die Reise?

Elektroautos fahren heute mit Lithium-Ionen-Batterien. Diese werden laufend verbessert, doch die Produktion der Batterien ist immer noch aufwändig und macht bei einem Mittelklasse-Elektroauto mit einer Batterie von 42 kWh etwa ein Viertel aus, die in der Autoherstellung anfallen. Geht das nicht besser? Forscherinnen und Forscher auf der ganzen Welt arbeiten daran, die Batterien langlebiger, leichter, günstiger, leistungsstärker und umweltverträglicher zu machen – zum Beispiel mit kobaltreduzierten und nickelreichen Hochenergie-Batteriemodulen. Bald sollen auch neue Typen entstehen. In der Schweiz forschen vor allem Empa, ETH und das Paul Scherrer Institut an der Verbesserung der Batterie.

So sieht eine Elektroautobatterie in ihrem Innern aus

Der Begriff Batterie umfasst das ganze System, das sich aus den eigentlichen elektrochemischen Zellen, einem Batteriemanagementsystem, einer Kühlung, Verpackung und Kontaktierung zusammensetzt. Elektroautobatterien sind meist modular aufgebaut und wiegen zwischen 250 und 650 kg. Die elektrochemischen Zellen bilden das Herz der Batterie. Sie werden zu Modulen zusammengeschaltet, die mit dem Kühlsystem und einem integrierten Batteriemanagementsystem zu einem Batteriesystem kombiniert werden.

Die Materialpaarung einer elektrochemischen Zelle bestimmt dabei massgebend ihre Eigenschaften und damit auch jene der Batterie. Für Elektrofahrzeuge kommen heute hauptsächlich drei Batterietypen mit unterschiedlichen Vor- und Nachteilen zum Einsatz.

Der Markt für Elektroautobatterien surrt

Die Nachfrage nach Elektroautos steigt auf der ganzen Welt. Und mit ihr der Bedarf an Lithium-Ionen-Batterien. Allein im Jahr 2021 hat sich die Nachfrage nach den mobilen Stromspeichern im Vergleich zum Vorjahr verdoppelt. Ein Ende des Booms ist nicht absehbar. Im Gegenteil: Bis zum Jahr 2030 wird ein Wachstum der Nachfrage um den Faktor 10 erwartet. Je nach Szenario wird eine sechs- bis zehnfache Steigerung der aktuellen Produktion nötig sein, um einen solch hohen Bedarf zu stemmen. Gleichzeitig werden Batterien immer erschwinglicher. In erster Linie dank fallender Zellenpreise. Aber auch wegen der Umstellung auf kostengünstigere Kathodenchemien und der Reduzierung des Kobaltanteils zugunsten von Nickel. Trotz zeitweiliger Preisschwankungen im Rohstoffmarkt dürfte der sinkende Trend der Batteriepreise deshalb auch langfristig anhalten.

Das steckt in einer Lithium-Ionen-Batterie

Der Name der Batterie lässt vermuten, dass sie zum Grossteil aus Lithium besteht. Dachten Sie das auch? Dabei macht dieser Rohstoff nur etwa 2 % der gesamten Batteriemasse aus. Bei einer 400-kg-Batterie sind das 8 kg. Der Rest besteht vor allem aus Aluminium, Kupfer, Stahl und Plastik. In der Infografik sehen Sie, was es für eine Batterie braucht.

In modernen Recyclingverfahren lassen sich weit über 90 % dieser Materialien zurückgewinnen – in einer Reinheit, die einen erneuten Einsatz für die Produktion neuer Batterien ermöglicht. Mit der Wiederverwendung der Materialien fallen die negativen ökologischen und sozialen Auswirkungen weg, die der Abbau dieser Rohstoffe mit sich bringt.

Wie steht es um die Brandgefahr bei Lithium-Ionen-Batterien?

Aktuell reicht die Datenlage nicht aus, um eine Aussage zum Brandrisiko von Elektrofahrzeugen im Vergleich mit anderen Antriebsarten zu machen. Erste Auswertungen zeigen aber, dass die Brandgefahr bei Lithium-Ionen-Batterien nicht signifikant höher ist wie jene bei Verbrennungsantrieben. Das Risiko eines Brandes ist grundsätzlich nur höher, wenn eine Batterie beschädigt, unter ungünstigen Bedingungen gelagert oder falsch verwendet wird.

Zu den bekannten Brandursachen zählen Kurzschlüsse durch mechanische Beschädigungen z. B. bei einem Unfall, Qualitätsprobleme bei der Herstellung und Überhitzung – auch «Thermal Runaway» genannt. Vorsicht ist auch beim Laden und Entladen geboten. Denn auch ein zu hoher Stromfluss kann zu Bränden führen.

Wie lange hält eine Lithium-Ionen-Batterie?

Die Frage nach der Lebensdauer einer Batterie lässt sich nicht pauschal beantworten. Sie wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst, wie z. B. Temperatur, Umweltbedingungen und Ladegeschwindigkeit. Derzeit geht man von 1000 bis 1500 vollen Ladezyklen aus. Zweimal halb voll laden gilt beispielsweise als ein voller Ladezyklus. Dies ergibt bei 300 km Reichweite pro Ladung eine Lebensdauer von 300 000 bis 450 000 km. Diese kann jedoch stark variieren. In der Literatur ist man sich dazu uneinig, weil es an empirischen Daten fehlt. Publizierte Werte schwanken zwischen 12 und 20 Jahren. Die meisten Hersteller gewähren eine Garantie auf die Batterie. Die Garantiedauer liegt je nach Elektroauto bei 8 bis 10 Jahren bzw. bei 150 000 bis 200 000 km. Elektroautobatterien altern auf zwei verschiedene Arten Die kalendarische Alterung geschieht automatisch mit der Zeit innerhalb der Batterie. Auch ohne, dass diese benutzt wird. Bei der zyklischen Alterung verliert die Batterie an Kapazität durch wiederholtes Laden und Entladen. Es gibt ein paar Verhaltenstipps, mit denen Sie die Batterielebensdauer positiv beeinflussen können. Nutzen Sie Ihr Elektroauto in einem Ladezustand zwischen ca. 20 und ca. 80 % der angegeben Ladekapazität. Verzichten Sie zudem möglichst darauf, Ihr Elektroauto schnellzuladen – insbesondere dann, wenn die Batterie kalt ist.

Die Batterie und deren Auswirkung auf die Ökobilanz von Elektroautos

Elektroautos sind im Betrieb ungefähr 4-mal energieeffizienter als vergleichbare Verbrenner und haben über die gesamte Lebensdauer hinweg massiv weniger Treibhausgasemissionen zur Folge. Wenn man die aktuelle vom Paul Scherrer Institut erstellte Ökobilanz E-Autos anschaut, fällt dennoch auf, dass die Herstellung von Elektroautos zwischen 25 und 50 % schwerere Umweltauswirkungen hat als die von brennstoffbetriebenen Fahrzeugen. Wieso eigentlich? Im Gegensatz zu Verbrennern kommen sie zwar ohne Katalysator und somit ohne Rhodium oder Palladium aus – zwei der umweltschädlichsten Materialien überhaupt. Dafür haben sie einen deutlich höheren Kupfer- und Elektronik-Bedarf. Die Herstellung der Batterie wird dadurch zu einem wesentlichen Faktor in der Ökobilanz von Elektroautos. Sie haben aber auch grosse Vorteile. Am Lebensende können fast sämtliche ihrer Bestandteile recycelt werden, Tendenz steigend.

Ein zweites Leben für Elektroautobatterien

Nach ca. 20 Jahren in Gebrauch sind die Batteriemodule so gealtert, dass sie materiell recycelt werden müssen. Wenn der Akku nach dieser Zeit weniger leistungsfähig ist, müssen Sie den Akku möglicherweise austauschen. Ist er noch funktionstüchtig, gibt es viele sinnvolle Möglichkeiten, ihn weiterhin zu nutzen. In dem Zusammenhang wird von einem «Multilife»-Ansatz gesprochen. Dieser schwächt die Nachfrage nach kritischen Materialien ab und ermöglicht ausgedienten Batterien ein zweites Leben. Zum Beispiel für die Beleuchtung eines Fussballstadions: In Amsterdam speichern die ehemaligen Batterien von rund 150 Elektroautos den Solarstrom, der tagsüber auf dem Dach der Arena erzeugt wird, für das Flutlicht. Das gleiche Prinzip lässt sich im kleineren Massstab auch für zu Hause nutzen.

Fortschritt sei Dank, werden heute bei gleichem Materialverbrauch immer leistungsfähigere Batterien produziert. Aus ökologischer Sicht kann es daher interessanter sein, die Rohstoffe durch effizientes Recycling wiederzugewinnen, um neue Batterien herzustellen, anstatt die Lebensdauer von alten Batterien so lang wie möglich zu verlängern.

Batterierecycling in der Schweiz

Und was passiert mit defekten Batterien? Die werden zu neuen Batterien. In der Schweiz betreibt das Start-up Librec ab Ende 2023 die erste darauf spezialisierte Recyclinganlage. Hochmoderne Technologien machen es möglich, weit über 90 % der Materialien herauszufiltern und in den Produktionskreislauf zurückzuführen. Ab 2030 müssen gemäss einer Regel der Europäischen Union in jeder neuen Batterie Mindestanteile an recyceltem Material vorhanden sein. Auch Sie können etwas beitragen: Durch richtiges Laden und entsprechende Fahrweise verlängern Sie die Lebensdauer Ihrer Batterie.

Woher kommen die Rohstoffe?

Sind batteriebetriebene Autos die Zukunft oder verlagern sie nur die Umweltverschmutzung? Einer der Hauptkritikpunkte ist die Verwendung von seltenen Erden, Kobalt und Lithium in den Batterien. Der RTS-Journalist Jonas Schneiter und der Energieingenieur Marc Muller haben für den Dokumentarfilm «Rausch Hour» zwei vergleichbare Autos zerlegt – eines mit Benzin- und eines mit Elektroantrieb –, um herauszufinden, was tatsächlich drin steckt, und sie haben sich in den Herstellungsgebieten auf Spurensuche begeben. Marc Muller ist unter anderem in den Kongo gereist. Am sogenannten «Kobaltgürtel» hat er mit Verantwortlichen, Aktivistinnen und Bewohnern gesprochen und herausgefunden, dass 90 % der Kobaltförderung kontrolliert wird und unter strengen Auflagen erfolgt. In diesen zertifizierten Minen sind Kinder und schwangere Frauen verboten. 10 % des Kobalts werden jedoch illegal und unkontrolliert abgebaut – hier muss man davon ausgehen, dass Kinder beteiligt sind. Auch die Lithiumproduktion in Chile haben die Filmemacher unter die Lupe genommen und vor Ort mit Produzenten und Umweltschützenden den Herstellungsprozess, die Wasserknappheit in der Region und den Rückgang der Flamingos näher beleuchtet. Auch der drängenden Frage, wie man die Rohstoffe aus Elektrobatterien wieder effizient recyceln kann, geht der Film nach.

Hier geht’s zum Dokumentarfilm

Bei der Plattform Play Suisse der Schweizerische Radio- und Fernsehgesellschaft (SRG) können Sie den Dokumentarfilm von Regisseur Jérôme Piguet aus dem Jahr 2020 kostenlos ansehen. Der Film ist auf Französisch mit Untertiteln auf Deutsch, Französisch oder Italienisch verfügbar. Einfach ein Benutzerkonto erstellen und anmelden. Danach finden Sie den Film über die Suchfunktion, wenn Sie «Rausch Hour» (auf Französisch «À contresens») eingeben und auf Doku kostenlos ansehen klicken.

Welche Batteriegrösse ist für mich ideal?

Heutzutage haben Sie bei vielen Elektroautos die Wahl zwischen verschiedenen Batteriegrössen. Es muss längst nicht mehr immer die Grösste sein, denn Leistung und Reichweite haben sich in den letzten Jahren massiv weiterentwickelt.

Die Frage lautet heute vielmehr: Welche Batterie passt zu Ihren alltäglichen Bedürfnissen? Ausserdem ist entscheidend, ob das Elektroauto das einzige Auto im Haushalt ist oder nur als Zweitauto für kürzere Fahrten in der Umgebung gebraucht wird. Für normale Pendlerdistanzen von weniger als 40 km pro Tag und seltene Langstreckenfahrten reicht in der Regel eine kleinere Batterie mit maximal 30 kWh Kapazität. Je nach Jahreszeit fahren Sie damit zwischen 120 und 150 km im Stadt- und Agglomerationsverkehr. Wenn Sie oft längere Strecken von bis zu 400 km pro Tag zurücklegen müssen, sind Sie mit einer grösseren Elektroautobatterie mit 50 kWh Kapazität flexibler. Mit einer Ladung lassen sich damit gut 200 km auf der Autobahn zurücklegen – im Stadtverkehr auch mehr. Die Ladezeit grösserer Batterien ist zudem oft kürzer. Je nach Schnellladeleistung des Autos haben Sie in 10 bis 45 Minuten Energie für die nächsten 200 km geladen. Ein weiterer Vorteil: Eine grössere Batterie altert langsamer als eine kleinere Batterie, weil sie für die gleiche Laufleistung weniger Ladezyklen benötigt. Für regelmässige Langstreckenfahrten oder Strecken über 400 km pro Tag empfiehlt sich eine noch grössere Batterie. Mit einer Batteriekapazität von 70 kWh kommen Sie zum Beispiel gut 300 km, bevor Sie bei der nächsten Ladestation Halt machen müssen. Ebenfalls wichtig ist eine Schnellladeleistung von 150 kWh oder mehr, damit Sie in 10 bis 20 Minuten Strom für weitere 200 km laden können. Kurz gesagt: Eine pauschale Empfehlung gibt es nicht. Wägen Sie genau ab, wie viel Reichweite Sie benötigen, und wählen Sie eine Batterie mit der dafür nötigen Grösse. Die nachfolgende Pro-und-Kontra-Liste hilft bei Ihrer Entscheidung.