Nachhaltige Batterien: Wie Graphit die Mobilitätswende prägt

Die Mobilitätswende wird in Deutschland heiß diskutiert. In der Auto-Nation ist die Vorstellung, gänzlich auf Verbrenner zu verzichten, für viele ein rotes Tuch. Gleichzeitig erforschen und fördern Unternehmen und Politik eifrig neue Alternativen. Selbst Verfechter von Elektrofahrzeugen kommen aber nicht umhin zuzugeben, dass Lithium-Ionen-Batterien – der derzeit gängigste Antriebsstandard in E-Fahrzeugen – sehr ressourcenintensiv sind. Das liegt besonders an den Rohstoffen, die für die Herstellung benötigt werden. Häufig wird über Lithium, Nickel und Kobalt gesprochen. Seltener über Graphit, obwohl eine durchschnittliche Batterie mehr Graphit als die anderen Rohstoffe enthält, nämlich 50 bis 100 kg pro EV-Batterie. Höchste Zeit also, mehr über Graphit zu erfahren.

Der Hidden Champion heißt Graphit

Graphit, eine Form von kristallinem Kohlenstoff, ist für die Funktion von Lithium-Ionen-Batterien unerlässlich. Seine einzigartigen elektrischen und thermischen Eigenschaften machen Graphit zu einem unschätzbaren Bestandteil der Elektromobilität. Und auch woanders wird auf Graphit gesetzt:

1. Batterien: Der häufigste Einsatz von Graphit in der Mobilität ist als Anode in Lithium-Ionen-Batterien, also als negative Elektrode, die für die Speicherung und Abgabe von Elektronen während des Lade- und Entladevorgangs verantwortlich ist.
2. Leichtbau-Verbundstoffe: Graphitfasern werden in Verbundmaterialien verwendet, um Teile leichter und stärker zu machen. Das ist essentiell, um den Kraftstoffverbrauch von traditionellen Fahrzeugen zu verbessern und die Reichweite von EVs zu erhöhen.
3. Thermisches Management: Graphit hat eine hohe Wärmeleitfähigkeit und hilft bei der Verteilung und Ableitung von Wärme in elektronischen Geräten und Elektrofahrzeugen, um sicherzustellen, dass diese innerhalb sicherer Temperaturbereiche arbeiten.
4. Brennstoffzellen: Graphitplatten werden als Bipolarplatten in einigen Arten von Brennstoffzellen verwendet. Sie leiten Elektrizität zwischen einzelnen Zellen in einem Brennstoffzellenstapel und helfen bei der Verteilung des Brennstoffs und der Wärmeabfuhr.

Aufgrund seiner Eigenschaften könnte Graphit zu einem Schlüssel für die Mobilitäts- und Energiewende werden. Gewonnen wird es derzeit auf zwei Wegen. Das natürliche Vorkommen wird abgebaut und raffineriert. Am Abbau von Graphit gibt es in sozialer wie ökologischer Hinsicht erhebliche Bedenken. Aktuell ist der weltweite Markt stark von China abhängig, das über 75 Prozent des derzeitigen Marktes kontrolliert, was zu Versorgungsrisiken und Preisschwankungen führt. Es wird erwartet, dass Europa bis 2025 aufgrund chinesischer Exportbeschränkungen einen großen Graphitmangel erleben wird.

Alternativ wird der Rohstoff synthetisch hergestellt. Derzeit investieren US-amerikanische und europäische Unternehmen in die Entwicklung von synthetischem Graphit, der nach Schätzungen von Benchmark Mineral Intelligence bis 2025 fast zwei Drittel des Marktes für EV-Batterieanoden ausmachen könnte. Die synthetische Herstellung von Graphit verspricht mehr Unabhängigkeit in der Lieferkette, allerdings wird sie aktuell überwiegend mit fossiler Energie veredelt, wodurch erhebliche Mengen an Treibhausgasemissionen entstehen.

Nachhaltige Lösungen für Graphit: Carbon Capture und elektrochemische Umwandlung

Die kontinuierliche Suche der Batteriehersteller nach nachhaltigen und wirtschaftlichen Materialien hat bereits zu bahnbrechenden Entwicklungen geführt. Ein Beispiel dafür ist UP Catalyst: Das Unternehmen hat eine Methode entwickelt, wodurch sich CO2 durch Elektrolyse in Kohlenstoff-Nanomaterialien und Graphit umwandeln lässt. Das könnte den Kohlenstoff-Fußabdruck von Batterien um bis zu 36 Prozent reduzieren. 

Ein Schlüsselinstrument in diesem Prozess ist die Kohlenstoffabscheidung und -nutzung, auch bekannt als Carbon Capture and Utilization (CCU). Anstatt Kohlenstoff aus dem Boden zu extrahieren und dabei erhebliche Mengen an CO2 freizusetzen, werden bei dieser Technik pro Tonne hergestelltem Graphit oder Kohlenstoff-Nanomaterialien 3,7 Tonnen CO2 direkt aus der Atmosphäre oder aus Industrieemissionen abgeschieden. Noch umweltschädlicher als der Bergbau ist die Möglichkeit, Graphit aus fossilen Brennstoffen zu gewinnen. Zum Vergleich: Bei der Herstellung von einer Tonne natürlichem oder synthetischem Graphit werden etwa fünf bis zehn Tonnen CO2 in die Atmosphäre freigesetzt, bei der Herstellung von Kohlenstoffnanoröhren sind es sogar 224 Tonnen pro Tonne des hergestellten Materials. Anbieter wie UP Catalyst schaffen eine nachhaltige Alternative zum Graphitabbau sowie zur Herstellung von Graphit und Kohlenstoffnanomaterialien aus fossilen Ressourcen. Und sie tragen gleichzeitig zur Senkung der globalen CO2-Werte bei. 

Zur Zeit leitet UP Catalyst das internationale Projekt CO2Carbon, an dem sich Branchenführer wie das deutsche Unternehmen UniverCell und führende Forschungseinrichtungen wie The Research Institute of Sweden (RISE) und die Universität Bologna beteiligen. Ziel ist es, die nachhaltige Herstellung von Kohlenstoffmaterial für Batterien vom Kilogramm- auf den Tonnenmaßstab zu erhöhen und gleichzeitig die Materialien zu testen, die aus der Kohlenstoffsynthese stammen. In der nächsten Phase soll die Produktionskapazität bis 2024 verzehnfacht werden – als Teil des größeren Ziels, bis 2030 jährlich eine Million Tonnen CO2 zu gewinnen. Wenn die Technologie erfolgreich ist, könnte das die Antwort auf die Frage sein, wie der Übergang zu einer lokalen und nachhaltigen Lieferkette für wichtige Rohstoffe in der EU beschleunigt wird. 

Eine nachhaltige Mobilitätswende ist möglich

Während Branchenführer wie Tesla, Northvolt, VW, Farasis und SVolt ihre Gigafactories in Deutschland errichten, wird deutlich, wie dringend saubere Technologien benötigt werden. Die Mobilitätswende in Deutschland beschränkt sich also nicht nur auf den Übergang von fossilen Brennstoffen zu Batterien. Angesichts der Tatsache, dass jede Lithiumbatterie etwa 50 – 100 kg Graphit enthält, geht es vielmehr darum, das gesamte Mobilitätsökosystem nachhaltig zu gestalten. Und dabei spielt Graphit eine zentrale Rolle.

Solche Innovationen bieten transformative Lösungen, die nicht nur den globalen Kohlenstoff-Fußabdruck verkleinern, sondern auch nachhaltige Praktiken in der Produktion fördern. Durch den Einsatz sauberer Technologien können Einzelpersonen, Unternehmen und Regierungen industrielle Prozesse anpassen, optimieren und so den Grundstein für eine nachhaltigere und widerstandsfähigere Welt legen. In Zukunft könnte es auf diese Weise möglich sein, bereits den ersten Kilometer mit neuen EVs nachhaltiger als mit Verbrennungsmotor-Vehikeln zu fahren. 

Deutschland könnte eine Vorreiterrolle für eine umweltfreundliche Mobilitätszukunft einnehmen. Diese Bewegung ist mehr als nur eine Reaktion auf die Klimakrise, sie ist ein strategischer Weg zum Überleben und zu einer besseren Zukunft für alle.