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Batterien und ihr Erderwärmungspotenzial: ein Blick auf den Lebenszyklus

Lithium-Ionen-Batterien sind eine Schlüsseltechnologie für umweltfreundliche Energie und Mobilität und damit auch eine Schlüsseltechnologie zur Eindämmung des Klimawandels. Batterien haben jedoch erhebliche Umweltauswirkungen. Diese Auswirkungen entstehen auf verschiedenen Stufen des Lebenszyklus, z. B. bei der Gewinnung von Rohstoffen oder der Produktion. In diesem Whitepaper werden die verschiedenen Phasen des Lebenszyklus einer Batterie untersucht und wie sie zu ihrem gesamten Treibhauspotenzial (GWP) beitragen.

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TWAICE / 25. März 2024
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Batterien und ihr Erderwärmungspotenzial: Ein Blick auf den Lebenszyklus

Einleitung

Lithium-Ionen-Batterien sind eine Schlüsseltechnologie für umweltfreundliche Energie und Mobilität und damit auch eine Schlüsseltechnologie zur Eindämmung des Klimawandels. Batterien haben jedoch erhebliche Umweltauswirkungen. Diese Auswirkungen entstehen auf verschiedenen Stufen des Lebenszyklus, z. B. bei der Gewinnung von Rohstoffen oder bei der Produktion. Sie wird in hohem Maße durch spätere Entscheidungen über die Verwendung der Batterie beeinflusst, und zwar nicht nur in der ersten Lebensphase, sondern auch in der zweiten Lebensphase und am Ende des Lebenszyklus. Es ist von entscheidender Bedeutung, diese Umweltauswirkungen zu minimieren und Batterien so lange wie möglich in Gebrauch zu halten. Dies kann durch nachhaltigere Entscheidungen in jeder Phase des Lebenszyklus der Batterie erreicht werden.

Die Batterieanalytik spielt bei diesen Entscheidungen eine wichtige Rolle. Durch die Bereitstellung von Einblicken in die Batterieleistung, die Alterungsabschätzung und die Modellierung kann die Batterieanalytik dazu beitragen, das Batteriedesign und die Nutzung zu optimieren und dadurch die Lebensdauer der Batterie zu verlängern.
In diesem Whitepaper werden die verschiedenen Phasen des Lebenszyklus einer Batterie und ihr Beitrag zum gesamten Treibhauspotenzial (GWP) untersucht und es wird erörtert, wie Batterieanalysen zur Minimierung der Umweltauswirkungen eingesetzt werden können.

Beschaffung und Veredelung

Bei der Bewertung des Treibhausgaspotenzials von Batterien ist es derzeit schwierig, genaue Daten über die Beschaffung und Veredelung von Batterierohstoffen wie Kobalt zu erhalten, da es an Transparenz mangelt und die Grenzen zwischen Materialveredelung und Zellproduktion unklar sind. Darüber hinaus erschweren unterschiedliche Beschaffungs- und Abbaupraktiken den Zugang. Obwohl es schwierig ist, Primärdaten über die Beschaffung von Rohstoffen zu erhalten, kann man dennoch zu dem Schluss kommen, dass der Einfluss des Abbaus und der Veredelung der Kathodenmaterialien im Vergleich zu anderen Teilen der Batterie einen relativ geringen Einfluss auf das Treibhauspotenzial hat. In Zukunft werden Initiativen wie der Batteriepass, ein führendes laufendes EU-finanziertes Projekt, bei dem TWAICE als Experte fungiert, sicherstellen, dass Informationen über die Herkunft und die Umweltauswirkungen während der gesamten Lebensdauer einer Batterie verfügbar sind und alle relevanten Teile der Batterie abdecken.  

Aluminium trägt mit seinem hohen Anteil an der gesamten Batterie und seiner energieintensiven Produktion erheblich zum Treibhauspotenzial bei. Obwohl der Energiebedarf für das Recycling von Aluminium beträchtlich niedrig ist, ist die Verwendung von recyceltem Aluminium in Batterien aufgrund möglicher Kompatibilitätsprobleme unklar. Unterschiede in den Legierungsgraden und andere Anforderungen an die Aluminiumkomponenten in LIB können die Verwendung von recyceltem Aluminium unattraktiv machen. Aus diesem Grund wird der Anteil von recyceltem Aluminium in Batterien als gering eingeschätzt.

Positiv hingegen ist, dass andere Materialien als die in der Kathode nur minimale Auswirkungen auf das Treibhauspotenzial einer Batteriezelle haben. Interessanterweise tragen die Anodenpaste, der Elektrolyt, die Separatoren und die Elektrodensubstrate (zusammen 45 % der NCA-Zelle) zusammen weniger als 8 % zur Gesamtumweltbelastung bei, obwohl sie einen erheblichen Teil der Zellzusammensetzung ausmachen.

Batterieherstellung

Die Herstellung ist der Haupttreiber der Batterieemissionen, da die Zellproduktion viel Energie erfordert. Das daraus resultierende GWP wird stark von der Kapazität der Anlage, den Produktionsmethoden und dem verwendeten regionalen Strommix beeinflusst. Vor allem die Herstellung von Kathodenpulver umfasst einen zweistufigen Prozess, der den Energiebedarf erheblich erhöht. Die dafür erforderlichen Öfen sind unabhängig von der Produktionsmenge ständig in Betrieb, was die Auswirkungen auf das Treibhauspotenzial noch verstärkt. Dies macht das GWP des Kathodenmaterials stark von der Kapazität und dem Durchsatz der Produktionsanlage abhängig.
Studien verdeutlichen die Abhängigkeit vom verwendeten Energiemix am Standort der jeweiligen Produktionsanlagen und zeigen einen erheblichen Anstieg der Emissionen, wenn die Produktion von Regionen wie Ostasien (Japan oder Korea) mit einem saubereren Energiemix an Standorte wie China, Polen oder Indien verlagert wird. Unter Berücksichtigung veröffentlichter LCAs (=Life Cycle Assessments) steigen die Emissionen für die Zellproduktion im Vergleich zu einem ostasiatischen (japanischen oder koreanischen) Strommix um 5%, wenn der US-Strommix berücksichtigt wird. 59%, 69% bzw. 112%, wenn die Produktion stattdessen in China, Polen oder Indien stattfindet. Die Zellproduktion in Schweden führt im Vergleich zu Ostasien nur zu 7 % der Emissionen. Der genaue Einfluss des Energiemixes auf denCO2-Beitrag bleibt jedoch aufgrund der großen Unterschiede bei den Annahmen über die für die Produktion benötigte Energie oft ungewiss.

Design-Entscheidungen

Die für Zellgehäuse und Module gewählten Materialien wie Kunststoff oder Metall spielen ebenfalls eine Rolle für das Treibhauspotenzial. Während Kunststoff für Lithium-Eisen-Phosphat-Batterien (LFP) vorzuziehen ist, wird aus Sicherheitsgründen bei Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxid-Batterien (NCA) häufig Metall verwendet, was einen Kompromiss zwischen Umweltauswirkungen und anderen Faktoren wie Sicherheit darstellt. In diesem Fall ist das Sicherheitsproblem auf die höhere thermische Instabilität von NCA zurückzuführen. Nach der sehrCO2-intensiven Produktion einer LIB-Batterie stoßen LIB-Batterien während ihrer Lebensdauer keine Treibhausgase aus, was im Vergleich zu Verbrennungsmotoren zu großen Einsparungen im Mobilitäts- und Energiesektor führt. Je länger die Batterie also hält, desto besser ist das für die Umwelt. Eine der Herausforderungen (z. B. für Automobilhersteller) bei der Entwicklung von Batteriesystemen besteht darin, dass die Hersteller eine Batterie anbieten müssen, die mehrere Jahre hält, aber nicht überdimensioniert ist, da eine Überdimensionierung einen unnötigen Ressourcenverbrauch und damit zusätzlicheCO2-Emissionen bedeutet. Die Schwierigkeit bei der Dimensionierung einer Batterie für einen so langen Zeitraum besteht darin, dass die Alterung stark von der Nutzung abhängt. Um auch am Ende der Lebensdauer noch eine gewisse Leistung zu erbringen, werden Batterien im Vergleich zu ihrer Anfangskapazität oft überdimensioniert.

Um Batteriehersteller bei der wirtschaftlich und ökologisch optimalen Gestaltung ihrer Systeme zu unterstützen, kann die Batterieanalytik durch die Modellierung des Gesundheitszustands (SoH) und anderer Metriken während der gesamten Lebensdauer einer Batterie und verschiedener Nutzungsszenarien eine genaue Batteriesimulation ermöglichen. Darüber hinaus können zuverlässige Vorhersagen über das Ende der Lebensdauer einer Batterie gemacht und die richtige Entladetiefe (DoD) ermittelt werden, um die richtige Dimensionierung der Batterie zu unterstützen.

SoH- und EoL-Schätzung und -Vorhersage sind notwendig, um die erforderliche Kapazität während der Lebensdauer einer Batterie unter Berücksichtigung der Alterung und des damit verbundenen Verlusts an nutzbarer Energiekapazität zu bestimmen. Eine schlechte SoH-Vorhersage hat zur Folge, dass die Batterie überdimensioniert wird, um den Mangel an Gewissheit über die nutzbare Energiekapazität der Batterie im Laufe der Zeit zu kompensieren.
Die DoD wiederum ist ein Hauptkritikpunkt, der die Lebensdauer der Batterie beeinflusst. Weitere Einblicke in die Herausforderungen, die mit der DoD verbunden sind, finden Sie im Abschnitt über die Lebensdauer.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass eine bessere SoH-Vorhersage und DoD-Bewertung dazu beiträgt, die Batterie richtig zu dimensionieren, so dass der Kohlenstoff-Fußabdruck der Batterieproduktion durch Materialeinsparungen verringert werden kann.

In-Life

Die Entladetiefe ist ein sehr wichtiger Parameter, der für die zyklische Alterung der Batterie während ihrer Nutzung entscheidend ist. Aus diesem Grund ist es sehr wichtig und gleichzeitig eine Herausforderung, die Entladetiefe zu definieren, die am besten zu einem bestimmten Batteriedesign passt. Batterien altern kalendarisch am schnellsten, wenn sie einen kritisch hohen oder niedrigen Ladezustand (SoC) aufweisen. Daher begrenzen die Hersteller den SoC auf beiden Seiten, was zu kürzeren Zyklen führt, was die Anzahl der Zyklen erhöht und zu einer zyklischen Alterung führt. Dieses Problem führt dazu, dass die Batterien im realen Betrieb nur mit maximal 70-85 % der Nennkapazität genutzt werden können. Mit mehr Wissen über die mögliche DoD lassen sich diese Mechanismen vermeiden und die Batterien können genauer dimensioniert werden.

Ein weiteres wichtiges Thema im Zusammenhang mit der zyklischen Alterung einer Batterie ist die Ladestrategie. In letzter Zeit konzentrierte sich die Forschung hauptsächlich auf die Verkürzung der Ladezeit. Dieser Parameter steht in engem Zusammenhang mit dem Komfort beim Fahren eines Elektrofahrzeugs, der für den Übergang von Autos mit Verbrennungsmotor zu umweltfreundlicher Mobilität unerlässlich ist. Daher werden Strategien benötigt, die ein Gleichgewicht zwischen Temperaturanstieg, Batterieschäden und Ladedauer herstellen. Diese Aufgabe ist wegen der stark nichtlinearen Alterung von Lithium-Ionen-Batterien besonders schwierig.

Gängige Lademethoden wie CCCV (Constant-Current-Constant-Voltage) sind einfach zu implementieren, aber in Bezug auf die Degradation nicht optimal. Neuere Methoden wie Boost-Laden, Pulsladen oder hybride Protokolle vernachlässigen oft den Zustand der Batterie zugunsten der Ladezeit und beschleunigen folglich die Degradation. Diese Methoden enthalten keine Informationen über die Mechanismen, die für die Alterung der Batterie verantwortlich sind, wie den Zustand der Batterie während des Ladevorgangs oder die Batterietemperatur.
Batterieanalysen und modellbasierte Ladeprotokolle bieten vielversprechendere Methoden. Sie nutzen Modelle, um zu verstehen, wie Batterien altern, was zu besser konzipierten Ladestrategien führt. Sie können zum Beispiel die spezifischen SoH und ScC der Batterie nutzen, um die richtigen Ladeströme zu wählen, um die Ladegeschwindigkeit, die Energieeffizienz, die Alterung und den Kapazitätsabfall zu verbessern. SoC und SoH können nicht direkt gemessen werden, sondern beruhen auf den Parametern des Batteriemodells und den Zustandsvariablen. Vergleiche zwischen konventioneller CCCV-Ladung und modellbasierter optimierter Strategie in Bezug auf die Verlängerung der Lebensdauer ergaben eine Verlängerung der Lebensdauer um 27 % im Vergleich zur konventionellen CCCV-Lademethode.

Faktoren, die die Batterieleistung weiter beeinflussen, können in Fertigungsschwankungen (intrinsisch) und Umweltfaktoren (extrinsisch) unterteilt werden, die zusammen als Zell-zu-Zell-Schwankungen (CtCV) bekannt sind. Diese Schwankungen beeinträchtigen die Leistung sowohl auf kurze als auch auf lange Sicht. Kurzfristig können sie die Gesamtkapazität des Akkus verringern. Langfristig führen sie zu ungleichmäßiger Alterung und unterschiedlichen Degradationsraten in den einzelnen Zellen, was letztlich dazu führt, dass das gesamte Paket sein Lebensende früher erreicht, als es sollte. Der Austausch einzelner Module kann die Lebensdauer des Systems verlängern. Eine genaue Diagnose des Batteriezustands ist jedoch entscheidend, um zu erkennen, welche Module wann ausgetauscht werden müssen.

Um jede Art von Anomalie in einer Batterie zu finden, ist die ständige Überwachung der Batterieanalyse während des Betriebs ein Schlüsselfaktor. Während die herkömmliche, planmäßige Wartung üblich ist, überwacht die prädiktive Wartung den tatsächlichen Zustand der Batterien und ermöglicht ein gezieltes Eingreifen, bevor Probleme auftreten. Dieser Ansatz, der bereits in anderen Branchen angewandt wird, verlängert beispielsweise die Lebensdauer von Energiespeichern erheblich, da er auf individuelle Zell- und Modulschwankungen innerhalb eines Systems eingehen und unnötige Ausfälle verhindern kann, indem er notwendige Wartungsmaßnahmen plant und die Zeiträume dazwischen maximiert.

Second Life

Obwohl die Batterien von Elektrofahrzeugen in der Regel ihre Lebensdauer erreicht haben, sobald ihre Kapazität auf 70-80 % ihres ursprünglichen Wertes gesunken ist, bergen sie immer noch ein erhebliches Potenzial für Zweitnutzungsanwendungen. Dieser Ansatz nutzt die verbleibende Kapazität dieser Batterien für alternative Anwendungen und bietet mehrere ökologische und wirtschaftliche Vorteile.

Erstens werden durch die Wiederverwendung von Batterien, anstatt sie sofort zu recyceln, die erheblichen Umweltauswirkungen der Herstellung neuer Batterien, einschließlich der Rohstoffgewinnung, der weiteren Produktion und der damit verbundenen Emissionen, vermieden oder verzögert. Dies verlängert die Gesamtlebensdauer und den Wert der Batterie, während der Kohlenstoff-Fußabdruck sowohl bei der ersten Verwendung in einem Elektrofahrzeug als auch bei der zweiten Verwendung geteilt wird. Auf diese Weise bietet es eine überzeugende Strategie zur Optimierung der Ressourcennutzung und zur langfristigen Minimierung der Umweltauswirkungen von Lithium-Ionen-Batterien.

Es gibt drei Hauptansätze für eine Nutzung des zweiten Lebens:

  1. Wiederaufbereitung: Dies beinhaltet die Reparatur und Aufarbeitung von Batterien für ihre ursprüngliche Verwendung in Kraftfahrzeugen. Dies erfordert umfangreiche Tests, Demontage, Austausch und Wiederzusammenbau, um die ursprünglichen Spezifikationen zu erfüllen. Es kann jedoch sein, dass nicht alle Batteriemodule aufgrund von Degradation geeignet sind und dass nur ein Teil des ursprünglichen Pakets verwendbar ist. Wiederaufbereitete Batterien können dann als Ersatzteile dienen.

  1. Wiederverwendung: Dabei werden die Batterien für weniger anspruchsvolle Anwendungen umkonfiguriert, in der Regel für stationäre Anwendungen wie die Energiespeicherung in Privathaushalten oder Unternehmen oder für andere Elektrofahrzeuge wie Motorroller oder Gabelstapler. Die Wiederverwendung umfasst häufig auch das Testen, Zerlegen und Ersetzen beschädigter Einheiten, erfordert aber zusätzlich eine Umstrukturierung und neue Hardware/Software für die neue Anwendung.

  1. Wiederverwendung: Eine Batterie, die einer Wiederverwendung oder Vorbereitung zur Wiederverwendung unterzogen wurde. Wiederverwendet bedeutet jedes Verfahren, bei dem Batterien oder Komponenten, die keine Abfälle sind, erneut für denselben Zweck verwendet werden, für den sie konzipiert wurden (Abfallrichtlinie, Artikel 3(13) mit Verweis auf die EU-Batterieverordnung, Artikel 3, 2(a))

Wichtig für die zweite Lebensdauer sind der genaue Gesundheitszustand der Batterie und die Bewertung anderer Parameter. Faktoren wie Spannung, Stromstärke, Kapazität, Größe, Form und Temperaturbereich müssen geprüft werden, bevor die weitere Verwendung festgelegt wird. Darüber hinaus müssen der Gesundheitszustand (SoH) und die verbleibende Nutzungsdauer bestimmt werden, um optimale Entscheidungen für die zweite Nutzungsdauer zu treffen. Der SoH bewertet den Kapazitätsverlust und den Anstieg des Innenwiderstands, um sicherzustellen, dass wiederverwendete Batterien die Leistungs- und Energieanforderungen der Anwendung erfüllen können. Darüber hinaus ist die RuL wichtig für die Vorhersage des End-of-Life der Batterie. Dies ist entscheidend für die Maximierung des Zweitnutzungswerts, aber aufgrund der individuellen Alterung und der Nutzungsgeschichte eine Herausforderung. Batterieanalysesoftware bietet jedoch die Lösung für diese Herausforderungen.

Schlussfolgerung

Da die Nachfrage nach Batterien steigt, ist eine genaue Analyse der Batterien von entscheidender Bedeutung, um denCO2-Fußabdruck einer Batterie zu verringern. Aber auch die wachsende Bewegung hin zu einerCO2-neutralen Batterieproduktion bietet eine vielversprechende Lösung, um effizientere Produktionsanlagen zu errichten und die Emissionen während der Produktionsphasen zu senken. Darüber hinaus können die Entwicklung von Batterien mit höherer Energiedichte und die Optimierung des Modul- und Packdesigns das GWP weiter senken. Kurzfristige Gewinne könnten jedoch dadurch zunichte gemacht werden, dass sich die Batterieproduktion in einigen Regionen auf Regionen konzentriert, in denen der Strommix auf fossilen Brennstoffen basiert.

Bessere SoH-Vorhersagen und DoD-Bewertungen können dazu beitragen, die Batterie genau zu dimensionieren und den Kohlenstoff-Fußabdruck der Produktion zu verringern. Faktoren während der Nutzung wie Ladestrategie und Schwankungen von Zelle zu Zelle wirken sich ebenfalls auf die Leistung und Lebensdauer der Batterie aus. Um solche Mechanismen zu beobachten und die Lebensdauer zu verlängern, sind die Erkennung von Anomalien, optimales modellbasiertes Laden und die Analyse von prädiktive vielversprechende Techniken zur Verbesserung des Batteriezustands. Nach dem Einsatz in Elektrofahrzeugen können die Batterien ein zweites Leben in anderen Anwendungen wie der Energiespeicherung erhalten, um die Emissionen über einen längeren Zeitraum zu strecken.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Kohlenstoff-Fußabdruck von Batterien ein komplexes Thema ist, das von verschiedenen Faktoren während des gesamten Lebenszyklus der Batterie beeinflusst wird. Transparenz und Standardisierung bei der Datenerfassung und -bewertung sind entscheidend für genaue Schätzungen und künftige Verbesserungen, die TWAICE durch enge Zusammenarbeit mit Initiativen wie dem Battery Pass-Projekt anstrebt. Auch wenn es noch Herausforderungen gibt, bieten Fortschritte bei der Konstruktion, der Herstellung und insbesondere bei den Energiequellen ein vielversprechendes Potenzial zur Verringerung des Gesamt-GWP von Batterien. Mit Batterieanalytik-Software und Dienstleistungen trägt TWAICE weiter zur Senkung des Gesamt-GWP von Batterien bei, indem es seinen Kunden ein erheblichesCO2-Reduktionspotenzial bietet, indem es die TWAICE Battery Analytics Platform und Batterieentwicklungslösungen anpasst und so die Lebensdauer von Batterien verlängert und die Entscheidungsgrundlage für ein optimales Batteriedesign und die Nutzung während der ersten oder zweiten Lebensdauer einer Batterie liefert.

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