Elektro-Autos haben für viele Menschen nach wie vor ein Imageproblem. Sofort werden Fragen laut zum Thema „seltenen Erden“ in den Motoren und die Nutzung von Kobalt im Akku.

Dass die Antworten längst da sind und in einem schwindelerregenden Tempo an Lösungen gearbeitet wird, geht dabei häufig unter. Wir geben daher einen Überblick und verschaffen Klarheit, wobei es sich bei den seltenen Erden handelt, wo sie eingesetzt werden und wie Automobilhersteller auf der ganzen Welt an nachhaltigen Alternativen und Innovationen forschen.

Die Kapitel auf einen Blick

  • Wie werden seltene Erden in Autos verwendet?
  • Was tun die Global Players für einen nachhaltigeren Bezug von Rohstoffen?
  • Welche neuen Technologien werden in Zukunft für Akkus angewendet?

Was sind seltene Erden und wie kommen sie in Autos zum Einsatz?

Seltene Erden sind nicht so selten, wie der Name es vermuten lässt. Es gibt insgesamt 17 „seltene Erdelemente“, wobei das seltenste (Thulium) immer noch häufiger zu finden ist als Gold. Sie werden auch nicht für die Herstellung der E-Auto-Akkus benötigt, wie wir in unserem Artikel bereits erläutert haben. In der Fahrzeugherstellung finden seltene Erden jedoch tatsächlich Verwendung – beispielsweise Neodym – doch nicht nur dort.

Neodym ist aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Es wird zur Herstellung von Dingen wie Plasma-Fernsehern, Festplatten, Kopfhörern verwendet und steckt mit ca. 0,4 Gramm auch in jedem Smartphone.

Für Autohersteller ist es, unabhängig von der Bauweise, eines der wichtigsten Elemente, da es unter anderem für die Elektronik von Bewegungssensoren benötigt wird. Vor allem aber bei Elektroautos wird es in den Motoren für die Permanentmagnete verwendet.

Bei E-Automotoren sind Permanentmagnete deshalb so beliebt, da diese in den Motoren (sog. Permanentmagnet-Synchronmaschinen, kurz PSM) die Effizienz steigern. Ihr Nachteil liegt in den grösseren Rollverlusten und der geringeren Überlastfähigkeit, was zu einer geringeren Leistung führt. Eine Alternative bieten die fremderregten Synchronmotoren (FSM), die keine Permanentmagnete enthalten und leistungsfähiger sind, dafür aber elektrische Energie zur Erzeugung des Magnetfelds brauchen.

Kobalt wird häufig im Zusammenhang mit dem Abbau der „seltenen Erden“ genannt, gehört aber nicht zu den seltenen Erdelementen. Es ist extrem leitfähig und sorgt an der Kathode des Akkus dafür, dass die Spannung hoch bleibt und so die Energiedichte der Akkus sowie die Ladegeschwindigkeit erhöht werden. Aber auch bei Verbrennern wird Kobalt sowohl bei der Entschwefelung von Rohöl in der Raffinerie als auch bei der Härtung von hochfestem Stahl in der Motor- und Getriebeproduktion benötigt.

Dennoch ist es an dieser Stelle durchaus erwähnenswert, da viele Programme und Entwicklungen der Fahrzeughersteller darauf abzielen, auch auf die Verwendung von Kobalt zukünftig verzichten zu können.

Was tun die Global Players für einen nachhaltigeren Bezug von Rohstoffen?

Die grossen Verbraucher wie VW, BMW und Tesla sind sich der Tatsache bewusst, dass die Herkunft der verwendeten Materialien ein immer wichtigeres Kaufkriterium für ihre Kunden wird.

Der Trend geht daher in Richtung der fremderregten Synchronmotoren (FSM), die ohne seltene Erdelemente wie Neodym auskommen. Grund dafür sind sowohl die Verbesserung der Umweltbilanz als auch die Tatsache, dass China einen Grossteil der Förderung von Neodym kontrolliert. Der Verzicht auf Neodym bedeutet für die Automobilwirtschaft somit auch mehr Unabhängigkeit bei der Ressourcenbeschaffung.

Dass es auch jetzt schon vollständig ohne seltene Erdelemente geht, beweist bereits BMW mit seinem Modell iX3 oder auch VW mit dem 4x4-ID. Der japanische Hersteller Nissan wird in seinem neuen Modell Ariya ebenfalls auf die Verwendung seltener Erden verzichten. Und auch der französische Hersteller Renault verbaut bei seinem Bestseller Zoe fremderregte Synchronmotoren.

 

Welche Technologien werden in Zukunft für Akkus angewendet?

Die Zukunft von E-Auto-Akkus könnte kaum spannender sein, da die Weiterentwicklung und Verbesserung der Akkus mit Hochdruck vorangetrieben wird. Mit Blick auf die Forschungsprojekte der grossen Hersteller werden Diskussionen um die Verwendung von Rohstoffen wie Kobalt bald Geschichte sein.

Tesla wie auch Volkswagen haben daher bereits letztes Jahr angekündigt, für ihr Einsteigersegment (z. B. das Tesla Model 3 SR+) nur noch LFP-Akkus zu verbauen, die kein Kobalt enthalten. In den höheren Segmenten soll eine Kombination aus Nickel und Mangan zum Einsatz kommen, was eine sehr hohe Lebensdauer von bis zu 10.000 Vollzyklen ermöglichen soll.

Einen anderen Plan hat der Hersteller BMW, da dieser seinen Einkauf vollständig alleine organisiert und Kobalt nur aus zertifizierten Quellen Australiens und Mexikos bezieht.

Da der Akku eines E-Autos zum Grossteil aus Lithium besteht, wird der Abbau wegen des vermeintlich hohen Wasserverbrauchs ebenfalls häufig kritisiert. Man sollte die Menge des benötigten Wassers aber in einen Kontext setzen und dabei bedenken, dass Akkus in ihrem Second Life noch lange genutzt und danach vollständig recycelt werden können.

Um vollkommen vom benötigten Lithium wegzukommen, hat der chinesische Zulieferer CATL (Contemporary Amperex Technology Limited) eine neue Bauart des Natrium-Ionen-Akkus vorgestellt. Dieser soll bereits 2023 marktreif sein und in die Massenfertigung gehen. Die Vorteile liegen in der Nachhaltigkeit, der Leistung bei Kälte, der Schnellladefähigkeit, der Sicherheit und natürlich bei den geringeren Herstellungskosten.

Australische Forscher gehen einen weiteren Weg und versuchen, mit dem Einsatz von Schwefel als Ersatz für Kobalt und Mangan einen Akku mit 1.000 Kilometern Reichweite erschaffen. Grosse Zuversicht bereitet auch die Tatsache, dass Unternehmen wie IBM, Mercedes und Sidus zusammen an einer Methode arbeiten, Akkus mit Meeresmineralien, statt mit Schwermetallen herzustellen.
Etwas weiter in der Zukunft liegen noch sogenannte Feststoff-Akkus, die sowohl in Sachen Reichweite und Sicherheit als auch bei der Ladegeschwindigkeit den momentanen Technologien weit überlegen sein werden. Renault, Mitsubishi, Nissan und Toyota haben sich hier zusammengetan und forschen gemeinsam intensiv an der nächsten grossen Innovation.