Die Umweltauswirkungen von Lithium

Andy Patrizio | 23. Mai 2023

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Die Lithium-Ionen-Batterie wurde erstmals in den 1980er Jahren von Universitätsforschern in England und Japan vorgeschlagen, wurde jedoch erst 1991 kommerziell verfügbar, als sie von der Sony Corporation eingeführt wurde. Es gab bereits frühere Versuche mit wiederaufladbaren Batterien, diese waren jedoch Eigentum des jeweiligen Erfinders. Lithium-Ionen-Akkus wurden zum Standarddesign, das im Vergleich zu früheren wiederaufladbaren Batterietechnologien eine höhere Energiedichte, längere Lebenszyklen und ein geringeres Gewicht bot.

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In den 32 Jahren seit der Einführung von Lithium-Ionen-Akkus durch Sony hat eine technologische Revolution stattgefunden. Lithium-Ionen-Batterien haben alles ermöglicht, von Smartphones bis hin zu Autos, und die Technologie schreitet mit größerer Dichte, schnellerem Aufladen und längerer Lebensdauer weiter voran.

Im Unternehmen gibt es zwei große Bereiche, die von der Revolution der Lithium-Ionen-Batterien profitiert haben: Mobile Geräte wie Laptops, Tablets und Smartphones haben die modernen mobilen Arbeitskräfte geschaffen, die nicht mehr an ihr Büro gebunden sind. Die andere Revolution fand im Rechenzentrum statt.

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Im Rechenzentrum haben Batterien die Entstehung der unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) ermöglicht: Die USV-Systeme sorgen für Notstrom bei Stromausfällen. Normalerweise sind sie nicht dazu gedacht, den Betrieb im Falle eines Stromausfalls fortzusetzen, sondern dienen lediglich dazu, den Benutzern die Möglichkeit zu geben, Arbeit zu speichern und ordnungsgemäß herunterzufahren, anstatt den Computer einfach auszuschalten

Allerdings gibt es wie bei jeder Technologie einen Haken. Im Fall von Lithium-Ionen-Batterien sind es die Umweltauswirkungen sowohl beim Abbau des Lithiums als auch bei der Entsorgung leerer Lithiumbatterien. Lithium-Ionen-Akkus können nur so oft entladen und wieder aufgeladen werden, dass sie ihre Ladung für längere Zeit nicht mehr halten. Dann müssen sie ersetzt werden.

Sowohl in der Privatwirtschaft als auch bei staatlichen Stellen besteht erhebliche und wachsende Besorgnis über die Umweltauswirkungen der Produktion von Lithium-Ionen-Batterien und insbesondere des Bergbaus, insbesondere in Ländern, die reich an Lithiumvorkommen sind, die stark gefördert werden.

„Um nur eine Tonne Lithiumcarbonat zu produzieren, müssen 500.000 Gallonen Lithiumsole eingedampft werden, die unter den Salzebenen Argentiniens, Boliviens und Chiles gesammelt wurden, wo ein Großteil des Lithiums produziert wird“, bemerkt Irina Tsukerman, geopolitische Analystin und Präsidentin von Scarab Rising, einem Risikobewertungsunternehmen.

Sie weist außerdem darauf hin, dass die Batterien selbst Metalle wie Kobalt, Nickel und Mangan enthalten, die giftig sind und die Wasserversorgung und Ökosysteme rund um die Mine verunreinigen können. Darüber hinaus wurden Brände auf Mülldeponien oder Batterierecyclinganlagen auf eine unsachgemäße Entsorgung von Lithium-Ionen-Batterien zurückgeführt.

Lithium-Ionen-Batterien bieten viele Vorteile und sind daher beliebt. „Ihre längere Lebensdauer im Vergleich zu herkömmlichen Batterien verringert die Häufigkeit des Austauschs und trägt indirekt zur Abfallreduzierung bei. Darüber hinaus tragen sie maßgeblich zu unserem Übergang zu erneuerbaren Energien bei, da sie überschüssige Energie aus Wind- und Solarenergie speichern und so eine gleichmäßige Versorgung gewährleisten.“ in Zeiten geringer Energieproduktion", sagte Kimberly Kim, Geologin, zertifizierte Sicherheitsfachkraft und Umweltberaterin.

Zu den Vorteilen gehören:

Hohe Energiedichte: Lithium-Ionen-Batterien haben im Vergleich zu anderen wiederaufladbaren Batterietechnologien eine höhere Energiedichte. Dies ist besonders bei kleineren Geräten von Vorteil, bei denen Größe und Gewicht eine Rolle spielen. Lithium-Ionen-Batterien sind für ihr geringes Gewicht bekannt.

Längere Lebensdauer: Lithium-Ionen-Batterien haben typischerweise eine längere Lebensdauer als ihre Konkurrenten. Einige Laptops geben mittlerweile eine Akkulaufzeit von 24 Stunden an.

Geringe Selbstentladungsrate und schnelleres Aufladen: Lithium-Ionen-Batterien haben eine geringere Selbstentladungsrate als andere Arten von wiederaufladbaren Batterien, was bedeutet, dass sie langsamer Energie verbrauchen als andere Batterietechnologien. Dadurch bleibt die Ladung länger erhalten. Sie laden sich außerdem schneller auf als andere Batterietechnologien.

Kein Memory-Effekt: Einige Akkus leiden unter dem sogenannten Memory-Effekt, bei dem sich die Lebensdauer verkürzt, wenn der Akku wiederholt aufgeladen wird, bevor er vollständig entladen ist. Lithium-Ionen-Akkus leiden nicht unter diesem Effekt.

Formvielfalt: Lithium-Ionen-Batterien können in verschiedenen Formen und Größen hergestellt werden, nicht nur in der quadratischen oder rechteckigen Form anderer Batterien. Dadurch können sie in einer Vielzahl von Geräten eingesetzt werden.

Geringere Umweltbelastung : Im Vergleich zu einigen anderen wiederaufladbaren Batterietechnologien haben Lithium-Ionen-Batterien eine geringere Umweltbelastung. Sie enthalten keine giftigen Schwermetalle wie Blei oder Cadmium, obwohl sie einige giftige Chemikalien enthalten, und sind einfacher zu recyceln als ihre Gegenstücke.

Lithium ist zwar nach Wasserstoff und Helium das dritthäufigste Element auf der Erde, lässt sich aber nicht leicht abbauen. Dabei handelt es sich um einen chaotischen Prozess, bei dem Wasser in die Reserven gepumpt wird, ähnlich wie beim Fracking bei der Ölförderung. Es benötigt eine beträchtliche Menge Süßwasser – Salzwasser kann nicht verwendet werden – und viele der Minen liegen in Gebieten, die unter Dürre leiden. Es hinterlässt einen giftigen Müllschlamm, der von der Natur erst nach Jahrhunderten beseitigt werden kann.

Beim Abbauprozess wird Wasser in den Schiefer gepumpt und eine Aufschlämmung gefördert, die dann der Verdunstung ausgesetzt werden muss. Der Prozess kann zwischen 10 und 24 Monaten dauern, bis das Lithium vollständig extrahiert ist.

Im Allgemeinen beträgt die Lebensdauer eines Lithium-Ionen-Akkus je nach Anzahl der Ladezyklen 3 bis 10 Jahre. Es wird geschätzt, dass bis 2020 jährlich zwischen 200 und 500 Millionen Tonnen Altbatterieabfälle anfallen. Da sie giftige Metalle wie Kobalt enthalten, ist eine Entsorgung auf der Mülldeponie keine Option. Darüber hinaus enthalten diese Batterien wertvolle Metalle, sodass auch ein finanzieller Anreiz besteht, sie zu recyceln.

Steven Athwal, Geschäftsführer von The Big Phone Store, einer britischen Marke für die Wiederaufbereitung von Mobiltelefonen, sagte, das eigentliche Problem beim Recycling von Batterien sei, wie kostengünstig es sei. „Derzeit ist der Kauf von recyceltem Lithium viel teurer als der direkte Abbau aus der Erde. Das muss sich ändern“, sagte er. „Durch die Ausweitung unseres derzeitigen Batterierecyclings werden diese Kosten sinken. Das muss viel schneller geschehen, als es bisher der Fall ist.“

„Angesichts der Umweltbedenken im Zusammenhang mit der Lithiumgewinnung, dem energieintensiven Produktionsprozess und den Herausforderungen beim Recycling besteht ein klarer Bedarf an Verbesserungen der aktuellen Praktiken und Innovationen in der Batterietechnologie, um echte Nachhaltigkeit zu gewährleisten“, sagte Kim.

Batterierecycling: die naheliegendste und einfachste Wahl. Keine Lithium-Ionen-Batterie sollte jemals auf einer Mülldeponie landen. Es sollte an ein seriöses Recyclingunternehmen gehen, das streng auf Umweltkonformität geprüft wird und keine Kinderarbeit einsetzt, wie es in einigen Ländern häufig der Fall ist.

Verbesserte Beschaffung: Die derzeitige Bergbaumethode ist veraltet, gefährlich, umweltschädlich und zeitaufwändig. Es ist reif für Innovationen und Verbesserungen, um bei der Entfernung von Lithium aus dem Boden weniger Auswirkungen auf die Umwelt zu haben.

Verbessertes Batteriedesign: Dies versteht sich von selbst, da seit seiner Erfindung Forschung und Entwicklung im Bereich der Batterielebensdauer betrieben wird. Es muss jedoch weiterhin in die Entwicklung von Batterien mit längerer Lebensdauer, höherer Energiedichte und schnelleren Lademöglichkeiten investiert werden.

Materialsubstitution: Während Lithium-Ionen-Batterien derzeit die beste Option sind, können jederzeit Alternativen auf den Markt kommen. Ein alternatives Design verwendet Natrium anstelle von Lithium, befindet sich jedoch noch in einem sehr frühen Stadium (siehe unten). Es müssen umweltfreundlichere Alternativen untersucht werden.

Öffentliches Bewusstsein und Bildung: Unternehmen neigen dazu, beim Recycling leerer und erschöpfter Lithium-Ionen-Batterien umweltbewusster zu sein als Verbraucher. Es muss ein stärkeres Bewusstsein der Verbraucher dafür geschaffen werden, wie wichtig es ist, leere Batterien zu recyceln und sie nicht einfach in den Müll zu werfen.

Es gibt eine Reihe alternativer Batterietechnologien, die verfügbar und auf dem Markt sind, und einige haben sogar Vorteile gegenüber der Lithium-Ionen-Technologie. Aber keines verfügt über das gesamte Paket an Funktionen und Stärken, das mit Lithium-Ionen-Geräten mithalten kann.

Bleisäure: Blei-Säure-Batterien sind eine der ältesten und ausgereiftesten wiederaufladbaren Batterietechnologien, die hauptsächlich in USV- und Notstromsystemen eingesetzt werden. Sie sind kostengünstig, haben aber im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien eine geringere Energiedichte und eine kürzere Lebensdauer.

Nickel-Cadmium (NiCd): Diese werden hauptsächlich in tragbaren Elektronikgeräten und Elektrowerkzeugen verwendet. Sie bieten eine gute Leistung und eine längere Lebensdauer im Vergleich zu Blei-Säure-Batterien, enthalten jedoch giftiges Cadmium und haben im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien eine geringere Energiedichte.

Nickel-Metallhydrid (NiMH):NiMH-Akkus sind in Anwendungen wie Digitalkameras, Hybridfahrzeugen und tragbaren Elektronikgeräten beliebt und haben eine geringere Energiedichte und eine kürzere Lebensdauer als Lithium-Ionen-Akkus.

Natrium-Ion: Natrium-Ionen-Batterien sind eine Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien, da Natrium häufiger vorkommt und kostengünstiger als Lithium ist. Natrium-Ionen-Batterien sind jedoch eine aufstrebende Technologie, die sich noch in der Entwicklung befindet.

Da sich viele Bundesstaaten das ehrgeizige Ziel gesetzt haben, in den kommenden Jahren auf Fahrzeuge mit fossilen Brennstoffen zu verzichten, wird Batteriestrom wichtiger denn je sein. Das bedeutet eine enorme Produktionssteigerung, und einige Quellen sind möglicherweise nicht zuverlässig. Sowohl Chile als auch Mexiko haben ihre riesigen Lithiumvorkommen verstaatlicht, sodass die Versorgung aus politischer Laune heraus unterbrochen werden könnte.

Die vielleicht größte Herausforderung wird darin bestehen, die Bedingungen zu klären, unter denen Lithium abgebaut wird. Es wurde immer wieder auf die schrecklichen Bedingungen hingewiesen, unter denen Kinder häufig arbeiten, und es stößt auf Gleichgültigkeit. Die Öffentlichkeit, die Elektrofahrzeuge fordert, sollte auch eine sichere und saubere Herstellung ihrer Batterien fordern.

Eine Lithium-Ionen-Batterie besteht aus: einer Kathode, die Lithiumkobaltoxid, Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid oder Lithiumeisenphosphat enthält; eine Anode aus Graphit; Elektrolyte mit Lithiumsalz; eine Separatormembran aus mikroporösem Polyethylen oder Polypropylen; Stromabnehmer aus Kupfer- und Aluminiumfolie; sowie Bindemittel und Zusatzstoffe aus Polyvinylidenfluorid.

Batterierecycling ist ein mehrstufiger Prozess aus Sortieren und Zerlegen, Zerkleinern oder Schreddern der Batterie, Eintauchen in eine flüssige Lösung zum Auflösen und Extrahieren der aktiven Materialien, Rückgewinnung und Reinigung der einzelnen Elemente, Entfernen von Verunreinigungen und Wiederaufbereitung.

Abgesehen von den bereits besprochenen Bergbaugefahren gibt es zahlreiche Risiken, die alle mit der Toxizität der bei der Herstellung einer Lithium-Ionen-Batterie verwendeten Chemikalien zusammenhängen. Der Herstellungsprozess beinhaltet die Verwendung mehrerer gefährlicher Chemikalien und Materialien, die sowohl giftig als auch brennbar sind. Die Batterien enthalten brennbare Elektrolyte und hochreaktive Materialien, wodurch sie explosionsgefährdet sind. Da sie Elektrizität speichern, sind sie auch anfällig für elektrische Entladungen und Unfälle.

Der genaue CO2-Fußabdruck ist sehr schwer zu messen, da bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien viele Variablen eine Rolle spielen, nicht zuletzt die Größe der Batterie. Es gibt aber auch Probleme im Zusammenhang mit Bergbautechniken, der spezifischen Batteriechemie, Produktionsverfahren, verwendeten Energiequellen und dem Lebenszyklus der Batterie.

Wenn Sie eine alte Batterie einfach wegwerfen und auf einer Mülldeponie entsorgen, besteht die Gefahr einer möglichen Kontamination, insbesondere wenn die Batterie Risse oder Beschädigungen aufweist und Chemikalien austreten können. Batterien, die auf einer Mülldeponie entsorgt werden, können Boden, Wasser und Luft verunreinigen, eine Gefahr für Ökosysteme darstellen und möglicherweise in die Nahrungskette gelangen.

Sie stellen außerdem eine Brand- und Explosionsgefahr dar, da Lithium-Ionen-Batterien in der Vergangenheit explosionsgefährdet waren. Beschädigte oder kurzgeschlossene Batterien können Hitze freisetzen und sich entzünden, was zu Bränden führen kann.

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