Blogartikel - Nachhaltige Batteriezellen

Von der Pfanne bis zur Batterie: Wie PFAS unseren Alltag prägen – und warum wir für ihren Einsatz in Batteriezellen Alternativen brauchen

27. November 2024

PFAS sind unsichtbare Begleiter in unserem Alltag. Ob Antihaftbeschichtung der Bratpfanne, die uns das Frühstücksei mühelos zubereiten lässt; Regenmantel, der uns trocken hält, oder Verpackung, die unser Essen frisch hält – sie alle profitieren von den einzigartigen Eigenschaften dieser »Ewigkeitschemikalien«. Doch was praktisch erscheint, hat eine Kehrseite: PFAS gelangen durch ihren weitverbreiteten Einsatz in die Umwelt, bleiben dort nahezu unzerstörbar und werfen zunehmend Fragen zu Gesundheit und Nachhaltigkeit auf.

Welche Alltagsgegenstände enthalten PFAS?

Was sind PFAS und wo kommen sie zum Einsatz? Per- und plyfluorierende Alkylsubstanzen.

Aufgrund der chemischen Beständigkeit und wasserabweisenden Eigenschaften von PFAS finden sie beispielsweise Verwendung als Beschichtungsmaterial für Textilien (z.B. Gore-Tex) oder für die Antihaftbeschichtung von Kochgeschirr (z.B. Teflon). Besonders problematisch ist hierbei, dass beispielsweise Abrieb durch die Verwendung der Produkte, aber auch Emissionen durch die Produktion oder falsche Entsorgung für einen Eintrag in die Umwelt sorgen, über die die PFAS in die Tier- und Pflanzenwelt eingetragen werden können. Auf diesem Weg gelangen sie zunehmend auch in den menschlichen Organismus.

Warum ist der Einsatz von PFAS problematisch?

Viele PFAS sind toxisch und/oder stehen im Verdacht, Krebs oder andere Krankheiten zu verursachen. [1] Aus diesem Grund werden immer wieder Verbote dieser Chemikaliengruppe oder einzelner Vertreter diskutiert. Die »Ewigkeitschemikalien« reichern sich in Ökosystemen und im menschlichen Körper an, was langfristige Gefahren birgt. Um dem entgegenzuwirken, werden strengere gesetzliche Bestimmungen eingeführt, um ihre Verwendung zu begrenzen und die Exposition zu reduzieren.

In Europa unterliegen PFAS verschiedenen regulatorischen Rahmenwerken wie der REACH- und der CLP-Verordnung. Die REACH-Verordnung richtet sich an besonders besorgniserregende Stoffe, wie bestimmte PFAS, aufgrund ihrer Persistenz, Bioakkumulation und Toxizität. Beispielsweise wurden Substanzen wie C9-C14 PFCAs seit Februar 2023 unter REACH verboten, und andere PFAS wie PFHxA und PFHpA werden derzeit auf mögliche Beschränkungen geprüft.[2]

Diese regulatorischen Schritte spiegeln einen globalen Trend wider, der darauf abzielt, den Einsatz von PFAS weiter zu überwachen und deren Verwendung in besonders kritischen Bereichen zu reduzieren. Die Suche nach Alternativen und die Entwicklung neuer, nachhaltigerer Materialien sind daher ein wichtiger Bestandteil der Forschung und Industrieentwicklung, auch in Bereichen wie der Batteriefertigung.

[1] Europäische Umweltagentur (2024): „Was sind PFAS und inwiefern sind sie für meine Gesundheit gefährlich?“

[2] New PFAS Regulations: How to Remain Compliant in 2024

Warum werden PFAS für Batteriezellen benötigt?

PFAS sind bei der Herstellung von Elektrodenmaterial unverzichtbar

In Batteriezellen lassen sich hauptsächlich zwei Vertreter der PFAS-Chemikalien wiederfinden: Polyvinylidenfluorid (PVDF) und Polytetrafluorethylen (PTFE), auch bekannt als „Teflon“. Diese werden in kleinen Mengen als Binder verwendet, um Aktivmaterialpartikel miteinander und mit der Elektrodenfolie zusammenhalten. Ihre chemische Stabilität macht sie unverzichtbar für eine zuverlässige Leistung der Zellen, da sie weder mit den Aktivmaterialien noch anderen Zellbestandteilen reagieren.

PVDF wird besonders häufig in LIB mit NMC- (Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid)- und LFP- (Lithium-Eisenphosphat)-Zellchemien eingesetzt. Seine hohe elektrochemische Stabilität schützt die Batterie vor Oxidationsreaktionen, was ihre Lebensdauer verlängert. Allerdings stellt das Recycling dieser PFAS-basierten Binder eine große Herausforderung dar: Bisher ist nur die thermische Verwertung mittels Pyrolyse etabliert, bei der giftige Abbauprodukte gefiltert werden müssen.

Sind PFAS für die Herstellung von Lithium-Ionen Batteriezellen unverzichtbar?

PFAS, insbesondere in Form von Polyvinylidenfluorid (PVDF), sind derzeit unverzichtbar für die Herstellung von Elektroden in NMC-Zellen (Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid), weil diese Zellchemie extrem empfindlich gegenüber Feuchtigkeit ist. Da kein Wasser als Prozesslösungsmittel verwendet werden kann, ist die Verwendung eines organischen Lösungsmittels, in diesem Fall N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP), notwendig, das eine enge Verbindung mit PFAS-basierten Bindern hat.

Bei LFP-Zellen (Lithium-Eisenphosphat) hingegen könnte theoretisch eine wässrige Verarbeitung angewendet werden, die den Einsatz von PFAS-freien Bindern ermöglicht. Dieser Ansatz ist jedoch bislang nur im Labor- oder Pilotmaßstab umgesetzt und noch nicht in die industrielle Produktion überführt.

Ein vielversprechender Weg für die Zukunft ist die Entwicklung des Trockenbeschichtungsverfahrens, bei dem völlig auf Lösungsmittel verzichtet wird. Dieses Verfahren bietet nicht nur ökologische Vorteile, sondern auch ein enormes Potenzial zur Einsparung von Energie für die Verdampfung und Trocknung. Es steht zunehmend im Fokus der Forschung und könnte langfristig eine PFAS-freie Produktion von Batterien ermöglichen.

Letzte Änderung: 27. November 2024

Sonderfall Trockenbeschichtung: Nachhaltigkeit im Dilemma?

© Fraunhofer FFB
Die Trockenbeschichtung kann zu erheblichen Energieeinsparungen im Batterieproduktionsprozess führen. Doch benötigt sie PFAS.

Hinsichtlich der PFAS-Problematik ist die Trockenbeschichtung kritisch zu betrachten. Zwar wird sie als nachhaltige Alternative zur herkömmlichen Elektrodenfertigung skaliert, da sie den Energieverbrauch erheblich reduziert, indem auf die Verdampfung und Trocknung von Lösungsmitteln verzichtet wird. Dieser Vorteil führt zu einer unmittelbaren Einsparung von Ressourcen und niedrigeren CO₂-Emissionen in der Produktion.

Allerdings ist die Technologie aktuell noch eng mit der Verwendung von PTFE als Binder verbunden – einer PFAS-Chemikalie, die aufgrund ihrer Persistenz und Umweltproblematik umstritten ist. Somit steht die Trockenbeschichtung vor einer komplexen Abwägung: Einerseits die potenziellen Vorteile durch Energieeinsparungen, andererseits die ökologischen Risiken durch den Einsatz von PFAS, insbesondere im Hinblick auf die Produktion, Nutzung und Entsorgung der Materialien.

Aus ökologischer Perspektive ist die Trockenbeschichtung daher eine ambivalente Lösung. Sie bietet zwar einen Weg, den Energieverbrauch zu senken, verschiebt aber die Problematik hin zu einer stärkeren Abhängigkeit von PFAS-Verbindungen. Eine umfassende Nachhaltigkeitsbewertung dieser Technologie setzt voraus, dass Alternativen zu PFAS-Bindern entwickelt und integriert werden können.

Was muss die Forschung für eine PFAS-freie Batterie der Zukunft tun?

Derzeit ist nicht abzusehen, dass PFAS-freie Binder den Massenmarkt für Lithium-Ionen-Batterien vollständig abdecken können, da die Entwicklung von alternativen Bindemitteln, die mit allen gängigen Zellchemien kompatibel sind, noch nicht ausgereift ist. Die Batterieforschung arbeitet daher an mehreren Lösungsstrategien, um den Übergang zu nachhaltigeren Batterien zu ermöglichen.

Ein zentraler Fokus liegt auf der Entwicklung von PFAS-freien Bindemitteln, die die gleichen Eigenschaften wie ihre PFAS-basierten Vorgänger bieten, jedoch ohne die negativen ökologischen Auswirkungen. Zudem werden alternative Zellchemien erforscht, die weniger auf PFAS angewiesen sind und gleichzeitig die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer von Batterien nicht beeinträchtigen.

Ein weiteres wichtiges Forschungsfeld betrifft die Kreislaufwirtschaft von Batterien. Um den Umwelteintrag bestehender LIBs zu minimieren, müssen effektivere Recyclingmethoden entwickelt werden, die auch PFAS-haltige Batterien ohne schädliche Emissionen behandeln können. Derzeit ist eine umweltfreundliche Methode des Abbaus von PFAS ist weder möglich noch absehbar.

Insgesamt erfordert die Entwicklung einer PFAS-freien Batterie eine Kombination aus innovativen Materialien, Prozessen und Recyclingtechnologien, die eng miteinander verknüpft werden müssen, um sowohl technologische als auch ökologische Anforderungen zu erfüllen.