Die Lehren und Grenzen des Lithiums

Bevor Fords Modell T gasbetriebene Fahrzeuge in unserer Gesellschaft allgegenwärtig machte, wurden Elektroautos von anspruchsvollen Verbrauchern aufgrund ihrer Abwesenheit schädlicher Emissionen bevorzugt. Nun steht die Rückkehr des Elektrofahrzeugs nicht nur unmittelbar bevor – sie ist praktisch eine zwingende Notwendigkeit. Angesichts strengerer Vorschriften zu Treibhausgasemissionen und des künftigen Verkaufsverbots von erdölbetriebenen Autos durch mehrere Bundesstaaten ist der Verkauf von Elektrofahrzeugen in den letzten Jahren rasant gestiegen, und die Daten zeigen, dass diejenigen, die umsteigen, nicht zurückblicken.

Um mit der steigenden Nachfrage nach Elektroautos Schritt zu halten, müssen die Batterien, die diese Fahrzeuge antreiben, sicher, erschwinglich und leicht zu beschaffen sein. Lithium-Ionen-Batterien (Ii-Ionen) waren aufgrund ihrer Energiedichte bisher die erste Wahl für saubere Energietechnologie, aber sie sind keine perfekte Lösung. Die Versorgung mit Rohstoffen für diese Batterien wird von einer Handvoll Ländern kontrolliert, die anfällig für geopolitische Schwankungen sind, während die Nachfrage in einer Reihe von Anwendungen, von der Unterhaltungselektronik bis zum Stromnetz, gestiegen ist.

Bei Li-Ionen-Batterien besteht außerdem Brandgefahr, steigende Preise im Zusammenhang mit der Instabilität der Lieferkette und Umweltfolgen im Zusammenhang mit ihrer Produktion. Die Welt braucht eine energiedichte, leistungsstarke Batterie, um die vom Menschen verursachten Kohlenstoffemissionen in allen Sektoren weiter zu reduzieren. Wenn wir uns jedoch auf die Li-Ionen-Technologie als Mittel zu diesem Zweck verlassen, kann dies unser Potenzial für Veränderungen einschränken.

Mit der zunehmenden Verbreitung von Lithium-Ionen-Batterien als Energiequelle nehmen auch Berichte über ihre Sicherheitsrisiken zu – nämlich Batteriebrände, die durch thermisches Durchgehen verursacht werden. Es tauchen Nachrichten darüber auf, dass die Batterien von E-Scootern überhitzt sind, Mehrfamilienhäuser und Mehrfamilienhäuser in Brand geraten und Bewohner darin getötet haben. Allein in New York City gab es im vergangenen Jahr 216 Batteriebrände und im Januar und Februar dieses Jahres mindestens 24 Fälle.

Eine Zusammenfassung, warum Brände von Li-Ionen-Batterien so tödlich sind: Bevor eine Batteriezelle im thermischen Durchgehen tatsächlich Feuer fängt, entweicht sie brennbare Gase wie Fluorwasserstoff und Kohlenmonoxid. Diese giftigen Dämpfe können stundenlang durch ein Gebäude dringen, bevor es zur Verbrennung kommt. Wenn sie sich entzünden, kommt es oft zu einer Explosion, und es dauert nur Millisekunden, bis der darauffolgende Brand ein Gebäude erfasst.

Nach Angaben der Federal Emergency Management Agency des US-Heimatschutzministeriums sind die Installationen von Batteriespeichersystemen für Privathaushalte (BESS) von 2014 bis 2018 jährlich um 200 % gestiegen. Da in Haushalten, die mit Solarenergie betrieben werden, immer mehr Lithium-Ionen-Batterien zum Einsatz kommen, besteht ein erhöhtes Risiko von Todesfällen durch außer Kontrolle geratene Brände. Feuerwehrleute in den Vereinigten Staaten betrachten Brände von Lithium-Ionen-Batterien bereits als ein erhebliches und wachsendes Problem. Wenn solche Vorfälle anhalten, werden die Verbraucher keinen Anreiz haben, in Batteriespeicher für Privathaushalte zu investieren, weil sie die Risiken als zu groß einschätzen.

Für Anwendungen im Stromnetz gehen die Auswirkungen einer Fehlfunktion von Li-Ionen-Batterien über Sicherheitsbedenken hinaus. Li-Ionen-Batterien werden zunehmend in erneuerbaren Energiesystemen, einschließlich Solar- und Windenergie, eingesetzt, um in Zeiten hoher Erzeugung erzeugte Energie zu speichern und sie dann bereitzustellen, wenn wenig oder keine Erzeugung vorhanden ist. Batteriebrände in Kraftwerken auf der ganzen Welt haben zu erheblichen finanziellen Verlusten und Schäden an der Infrastruktur geführt und letztendlich den Übergang zu erneuerbaren Energien behindert. Ein kürzlich in Kalifornien aufgetretener Brand führte zu einer teilweisen Sperrung des Highway 1 und zu einer Schutzanordnung für sieben Quadratmeilen nördlich des brennenden Lagercontainers.

Elektrofahrzeuge sind eine der vielversprechendsten Anwendungen der Li-Ionen-Technologie zur Reduzierung des vom Menschen verursachten Kohlenstoffausstoßes, aber Batterien in Elektrofahrzeugen gehen bekanntermaßen ohne Vorwarnung in Flammen auf. Und da sich mehrere Zellen in unterschiedlichen Stadien des thermischen Durchgehens befinden können, können Lithium-Ionen-Akkus Stunden oder Tage, nachdem die ersten Flammen gelöscht wurden und die Gefahr scheinbar vorüber ist, erneut Feuer fangen.

Bedenken hinsichtlich der öffentlichen Sicherheit behindern bereits die Elektrifizierung des öffentlichen Verkehrs. Als in Connecticut ein einzelner Elektrobus Feuer fing, stellten die Behörden die gesamte Flotte außer Dienst und legten die Pläne zum Ersatz der Dieselbusse des Staates auf unbestimmte Zeit zurück. Um Elektrofahrzeuge in größerem Umfang einzuführen, benötigen Hersteller eine sicherere Batterietechnologie, der die Öffentlichkeit vertrauen kann – vorzugsweise eine, die keine giftigen, brennbaren Materialien verwendet.

Li-Ionen-Batterien sind eine noch riskantere Option für den Antrieb von Hochseefrachtschiffen, da Batteriebrände auf See nur äußerst schwer zu löschen sind. Die US-Küstenwache hat daher Seeschiffe und Aufsichtsbehörden gewarnt, beim Transport von Li-Ionen-Batterien äußerste Vorsicht walten zu lassen. Im Falle einer batteriebedingten Explosion und eines Brandes auf See könnten Arbeiter in der Zeit, die die Rettungskräfte benötigen, um sie auf dem offenen Meer zu erreichen, ihr Leben verlieren.

Darüber hinaus sind mit Lithium-Ionen-Batterien auf See erhebliche Umwelt- und Wirtschaftsrisiken verbunden. Im Februar 2022 brach an Bord der Felicity Ace, einem Frachtschiff mit fast 4.000 Autos, ein Feuer aus, das auf die Elektrofahrzeuge an Bord übergriff und das gesamte Schiff in Flammen aufgehen ließ. Nach mehreren Tagen intensiver Bemühungen konnte das Feuer schließlich gelöscht werden, allerdings erst nachdem es tagelang trieb und dabei giftige Dämpfe und Schwermetalle in das umliegende Meer freisetzte. Die gesamte Ladung der Felicity Ace sank zusammen mit dem Schiff, was einen geschätzten Schaden von 500 Millionen US-Dollar verursachte.

Die Seeschifffahrt produziert jedes Jahr etwa 900 Millionen Tonnen Schadstoffe und dürfte bis 2050 17 % der weltweiten Kohlenstoffemissionen ausmachen. Hier besteht ein enormes Potenzial, die Schiffsemissionen durch die Reduzierung von Spitzenzeiten auf See und den Ersatz von Dieselgeneratoren für den Betrieb von Hotelladungen deutlich zu reduzieren . Die Chemie von Li-Ionen- und anderen Batterien mit brennbaren Bestandteilen verhindert jedoch, dass die Schifffahrtsindustrie dieses Potenzial ausschöpft, da die Risiken zu hoch sind.

Ironischerweise ist die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien manchmal klimaschädlicher als die Herstellung von Fahrzeugbatterien mit fossilen Brennstoffen. Nach Angaben des Massachusetts Institute of Technology verursacht beispielsweise jede Tonne Lithium, die durch den Hartgesteinsabbau gefördert wird, 15 Tonnen Kohlendioxidemissionen.

Es hilft nicht, dass rund 80 % der Raffinierung und Herstellung von Batteriekomponenten in Asien stattfinden, einer Region, die für ihren enormen Kohleverbrauch berüchtigt ist. Auch wenn die Automobilhersteller die direkten Umweltauswirkungen dieser transozeanischen Lieferkette heute nicht spüren, könnte eine verbesserte Berichterstattung von der Wiege bis zur Bahre in Zukunft zu höheren CO2-Steuern führen.

Tatsächlich ist der Preis für Li-Ionen-Akkus im vergangenen Jahr aufgrund steigender Produktions- und Lieferkettenkosten zum ersten Mal gestiegen. Laut BloombergNEF werden sich diese Preistrends bald negativ auf die Fähigkeit der Automobilhersteller auswirken, Elektrofahrzeuge auf dem Massenmarkt ohne Subventionen oder andere Formen der Unterstützung zu verkaufen – etwas, das wir in Ländern wie Deutschland bereits beobachten.

In diesem chaotischen Batteriemarkt müssen die Speicher-, Automobil- und Schifffahrtsindustrie über die Li-Ionen-Technologie hinaus nach inländischen Entwicklungsmöglichkeiten suchen. Die US-Bundesregierung investiert über einen Zeitraum von fünf Jahren 5 Milliarden US-Dollar in den Aufbau eines landesweiten Ladenetzes für Elektrofahrzeuge, und der Inflation Reduction Act von 2021 bietet Autoherstellern Anreize für die Verwendung von in Nordamerika hergestellten Batterien, einschließlich der Entwicklung neuer Batterietechnologien. Noch größere Anreize gibt es für Versorgungsunternehmen und Eigentümer von Speicherprojekten, die durch verschiedene Steuergutschriften über 70 % der gesamten Speicherprojektkosten amortisieren können.

Natürlich werden letztlich die Verbraucher über den Erfolg alternativer Batterietechnologien entscheiden. Der Hersteller, der eine bessere Batterie als die Lithium-Ionen-Batterie findet – sowohl im Hinblick auf die Verbrauchersicherheit als auch auf die Produktionskosten – wird auf dem Markt erfolgreich sein.

Mukesh Chatter ist CEO von Alsym Energy, einem Technologieunternehmen, das eine kostengünstige, leistungsstarke wiederaufladbare Batteriechemie entwickelt, die frei von Lithium und Kobalt ist.

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