Erst am vergangenen Mittwoch haben drei Forscher den Nobelpreis für Chemie erhalten. Stanley Whittingham, John Goodenough und Akira Yoshino wurden für eine Erfindung geehrt, von der wohl alle Menschen mehr oder weniger profitieren: die Lithium-Ionen-Batterie. Deren Entwicklung ermöglichte den Bau von Elektroautos und immer kleiner werdenden elektronischen Geräten.

Doch der Fortschritt hat auch eine problematische Seite. Die Gewinnung von Lithium, des bisher unverzichtbaren Rohstoffs für die Batterien, zerstört die Umwelt. Das für die Batteriekathoden benötigte Kobalt wird in Afrika unter unmenschlichen Bedingungen abgebaut.

Lithium-Abbau mit drastischen Folgen

Im Kongo findet sich fast die Hälfte der weltweiten Kobaltvorkommen. Die großen industriellen Minen sind in der Hand von Firmen aus der Schweiz und China. Dazu kommen unzählige illegale Klein-Bergwerke. Hier atmen die Menschen Unmengen giftigen Kobaltstaubs ein. Zehntausende Kinder müssen in den engen Schächten arbeiten. Viele werden verschüttet. Ein großer Teil der Einnahmen wird von Warlords für Waffenkäufe genutzt.

Lithium wiederum lagert in großen Mengen in Australien und Lateinamerika. Im sogenannten Lithiumdreieck von Chile, Argentinien und Bolivien wird es aus großen Salzseen der Wüste gewonnen. Analysten schätzten im vergangenen Jahr, dass der Bedarf an Lithium bis 2025 um 21 Prozent jährlich wachsen werde – parallel zur Nachfrage nach Batterien, unter anderem für Elektroautos.

„Heute Lithium, morgen Hunger“– mit diesem Spruch wehren sich die Kolla-Ureinwohner Argeniniens gegen Pläne ihrer Regierung, im großen Stil Lithium-Vorräte in ihrer Region auszubeuten. Etwa 60.000 Ureinwohner leben hier, meist von Lamazucht und Landwirtschaft. Die Lithiumgewinnung verbraucht Unmengen an Grundwasser – Zehntausende Liter pro Stunde – und verseucht mit Staubwolken die Umwelt. Viele Lamas kämen bereits krank und mit Missbildungen zur Welt, beklagen die Kolla-Ureinwohner.

Wachsender Widerstand

In Bolivien wehren sich Menschen gegen ein deutsch-bolivianisches Abkommen zur Förderung von Lithium im riesigen Salzsee Uyuni. In Chile werden große Mengen an Lithium im größten Salzsee der Atacamawüste – genannt Salar de Atacama – gewonnen. Mineralhaltiges Grundwasser wird in riesige künstliche Becken gepumpt. Es verdunstet monatelang unter der Sonne. Salze setzen sich ab, die in einem chemischen Prozess in Lithiumkarbonat verwandelt werden. Es ist ein sehr langwieriges Verfahren. Zugleich lässt das Sinken des Grundwasserspiegels die Seen in einer der trockensten Regionen der Welt noch weiter austrocknen und bedroht Naturreservate, in denen unter anderem unzählige Flamingos leben. Nahe der Abbaugebiete befinden sich viele Orte mit vor allem indigenen Bewohnern.

Aber nicht nur wegen des wachsenden Widerstands gegen Ausbeutung und Naturzerstörung suchen Forscher seit einiger Zeit Alternativen für Lithium, Kobalt und andere Rohstoffe in Batterien. Es geht auch darum, die Akkus billiger und noch effektiver zu machen, um etwa die Reichweite der E-Autos zu erhöhen, die Ladedauer zu verringern und die Sicherheit zu erhöhen. Stichwort: Entflammbarkeit.

Anfällige Batterien

Dazu ein kleiner Blick in die Materialien der heutigen Lithium-Ionen-Batterien: Lithium, das chemische Element mit der Ordnungszahl 3, ist als Alkalimetall silbrig glänzend und weich. Es gibt leicht sein Elektron ab, ist besonders leicht und leitfähig, kann Energie gut speichern und entladen. Es ist also ideal für Batterien geeignet. Zugleich aber reagiert Lithium sehr aktiv mit vielen Elementen unter Wärmeabgabe – was wiederum ein Nachteil ist, denn es macht Batterien anfällig.

Eine der größten Herausforderungen der Batterie-Entwicklung war, die Entflammbarkeit der Prototypen zu drosseln, „das reaktive Element zu zähmen“, wie es bei der Vorstellung der Nobelpreisträger hieß. Kobaltoxid wiederum dient als Speichermaterial in der Kathode dazu, die Energiedichte zu erhöhen und Batterien damit besonders leistungsfähig zu machen.

Die Forscher suchen Materialien für alle drei Komponenten der Batterie: die Kathode, die Anode und den Elektrolyt – das Medium zwischen den Elektroden. Durch Nickel und Mangan lässt sich nach Aussagen von Wissenschaftlern zum Beispiel der Kobaltanteil in der Kathode reduzieren. In Kombinationen wie Lithium-Eisen-Phosphat gibt es wiederum gar kein Kobalt mehr. Allerdings wächst dann die Größe der Batterien. Auch Lithium-Schwefel-Batterien werden getestet. Schwefel ist als Abbauprodukt recht günstig zu haben. Doch die Batterien sind noch zu groß und besitzen eine zu kleine Lebensdauer.

Magnesium-Batterie kommt ohne Lithium aus

An der „Batterie der Zukunft“ arbeiten unter anderem Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT). Zusammen mit europäischen Partnern entwickeln sie eine Magnesium-Batterie, die ganz ohne Lithium auskommen würde. Magnesium besitze eine hohe Energiedichte und wäre sicherer als Lithium, heißt es in einer KIT-Mitteilung. Die besondere Herausforderung sei aber, eine lange Lebensdauer zu erreichen. Als Element sei Magnesium auf der Erde etwa 3000-mal so häufig vertreten wie Lithium und könne auch einfacher recycelt werden. Zu den alternativen Materialien gehören auch Natrium und Kalium. Für kleine Batterien sind sie allerdings nicht zu verwenden, denn ihre Energiedichte ist zu gering.

Einen ganz anderen Weg geht der am vergangenen Mittwoch gekürte Nobelpreisträger John Goodenough. Der Professor an der University of Texas in Austin, der die Lithium-Ionen-Akkus mitentwickelt hat, arbeitet auch mit 97 Jahren noch an „Batterien der Zukunft“. Seine aktuelle Idee ist eine Feststoffbatterie aus einem speziellen Glas anstelle eines flüssigen Elektrolyts als Verbindung zwischen Anode und Kathode. Das Lithium soll durch Natrium ersetzt werden, das man nahezu unbegrenzt aus Meerwasser gewinnen kann. Goodenough sagte dazu: „Ich denke, wir sind in der Lage, hier etwas zu schaffen, woran wir sei 20 Jahren arbeiten.“