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07.10.2022

26.10.2021

Das zweite Leben von Lithium-Ionen-Batterien

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Sind zwei Leben besser als eines? Was Lithium-Ionen-Batterien aus Autos betrifft, will das nun ein Forschungsteam der Universität für Bodenkultur Wien klären. Das dreijährige EU-Projekt SafeLiBatt soll die Zweitnutzung von Autobatterien optimieren und das Unfallrisiko bei sogenannten Second-Life-Anwendungen minimieren. Das würde einen Sprung in der Energiewende bedeuten.

Lithium-Ionen-Batterien sind die Hoffnungsträger der Energiewende, vor allem in der E-Mobilität. Sie sollen Antriebe mit fossilen Brennstoffen wie Benzin ersetzen. Längst fixer Bestandteil unseres Alltags, haftet jedoch ein Schönheitsmakel an ihnen: ihre Lebensdauer.

Sinkt ihre Restkapazität auf 80 Prozent, endet das erste Leben einer Lithium-Ionen-Batterie in Autos und sie muss ausgetauscht werden. Das zeigen erste Ergebnisse des Forschungsteams rund um Florian Part von der BOKU Wien.

Einerseits liegt das an den hohen technischen Erwartungen, andererseits an der potenziellen Brandgefahr, die von gebrauchten Lithium-Ionen-Batterien ausgeht. Nach ihrem ersten Leben treten manche Batterien ein zweites Leben etwa in Energiespeichern an, wo die technischen Anforderungen andere sind. Gelingt es, ihre Nutzungsdauer durch ein "Second Life" zu verlängern, reduziert dies langfristig Treibhausgasemissionen, die hauptsächlich bei der Rohstoffgewinnung und Batterieherstellung entstehen. Neben den Aufbereitungskosten hängt der Erfolg von Second-Life-Batterien am Markt auch von ihrer Sicherheit ab. "Darüber ist jedoch so gut wie nichts bekannt", erklärt Florian Part vom Institut für Abfallwirtschaft.

Ob und unter welchen Umständen die Nutzung von gebrauchten Batterien sinnvoll ist oder ob das Risiko für Mensch und Umwelt dermaßen steigt, dass die Schäden größer sind als bei einer Entsorgung der Batterie, soll das Projekt SafeLiBatt klären. Bis Oktober 2023 läuft es, momentan werden Stakeholder befragt, wie es derzeit um die Marktreife von Second-Life-Batterien stehe und welche Sicherheitsbedenken sie beschäftigen, berichtet Part.

Höhere Gefahr durch mehr E-Autos: Risikoanalysen erhöhen Sicherheit

In Laborversuchen vergleicht das Forschungsteam aus Österreich, Deutschland und Frankreich neue und gebrauchte Lithium-Ionen-Batterien diverser Automobilhersteller. Das Team will herausfinden, unter welchen Bedingungen sich Batterien entzünden und in welcher Konzentration toxische Substanzen dabei freigesetzt werden. So können sie Risiko- und Lebenszyklusanalysen erstellen und Handlungsempfehlungen für Wirtschaft, Politik, aber auch für Einsatzkräfte an Unfallorten erarbeiten.

Vier Szenarien werden unter die Lupe genommen: Batterien mit nur einem Lebenszyklus ohne und mit Recycling, sowie Batterien mit zwei Lebenszyklen ohne und mit Recycling. Werden Lithium-Ionen-Batterien optimal eingesetzt, leistet das einen wichtigen Beitrag zur Erreichung des Pariser Klimaabkommens. 2019 rollten gerade einmal 1,8 Millionen Elektro- und Hybridfahrzeuge über die Straßen der EU, das entspricht 3,5 Prozent aller registrierten Autos, so Part. Steigt ihre Anzahl, steigt allerdings auch die Gefahr für Mensch und Umwelt, sollte es häufiger zu Bränden von Lithium-Ionen-Batterien kommen.

Batteriebrände: Toxisch und schwer zu löschen

Bereits kleine technische Schäden wie Mikrorisse in der Trennschicht zwischen den Batterieelektroden führen zum sogenannten thermischen Durchgehen. Dabei fließt in der Batterie unkontrolliert Strom, was innerhalb von Millisekunden zu einem rapiden Anstieg der Temperatur führt. Der daraus resultierende Brand kann kaum gelöscht werden. Toxische Gase wie Fluorwasserstoff treten aus, auch Schwermetalle werden frei. Eine gefährliche Situation für Einsatzkräfte am Unfallort, aber auch für die Umwelt insgesamt.

Zu den Ursachen des thermischen Durchgehens zählen falsche Lagerung und zu hohe Belastungen wie ständiges Auf- und Entladen. In E-Autos erhöhen extreme Betriebstemperaturen, sowie häufiges Schnellladen das Risiko. Dazu kommen zahlreiche weitere Einflussfaktoren wie die Zellchemie, die Energiedichte, das Design der Batterie, der Ladungszustand oder ihre Kapazität.

Vorteile für die Gesellschaft

Im Fokus der Forschenden liegen auch sozioökonomische Auswirkungen, da Batterierohstoffe wie Kobalt oder Lithium knapp sind und für die EU ein Versorgungsrisiko bergen. Zudem kann die Aufbereitung von Autobatterien, das sogenannte Remanufacturing, neue Arbeitsplätze schaffen und Sekundärmärkte im Sinne einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft gestalten.

Quelle: Universität für Bodenkultur, Wien