In Akkus von Smartphones oder Elektroautos: immer ist Cobalt drin

Mit der vielerorts eingesetzten Umstellung der Verbrennungs- durch Elektromotoren und der zu erwartenden raschen Entwicklung in der Mobilität, aber auch in vielen weiteren Anwendungsbereichen des täglichen Lebens (Elektrogeräte wie Rasenmäher, Akkuschrauber, Laptops usw.) erhebt sich drängender den je die Frage nach den dafür benötigten Rohstoffen.

Die als Energiespeicher dienenden Akkus sowohl von Smartphones wie von Elektroautos enthalten Cobalt (Co), als einem der Metalle im Pluspol (Kathode) der Lithium-Ionen-Batterie. Im Akku eines Elektroautos steckt rund 3000-mal mehr Kobalt als in einem Smartphone.

Cobalt ist ein weit verbreitetes, natürlich vorkommendes Element, das sich im Boden, im Wasser, der Luft und in Pflanzen und Tieren befindet. Dorthin gelangt es durch Wind- und Wassererosion von kobalthaltigem Boden und Gestein oder in geringen Mengen durch menschliche Aktivitäten (zB. Kohleverbrennung, Bergbau, Verarbeitung von kobalthaltigen Erzen und dessen Einsatz in Chemiefabriken). Als Bestandteil des Vitamins B12 ist es zudem essentiell für die menschliche Gesundheit, da es das Wachstum der roten Blutkörperchen stimuliert. Das Einatmen hoher Konzentrationen schädigt hingegen Atemwege und Lunge.

Zwar findet sich Kobalt als Spurenelement durch Verwitterung angereichert in den meisten Böden. Dennoch ist es ein seltenes Element, das in der Erdkruste mit einer Häufigkeit von nur 0,004% vorkommt. Es ist stets mit Nickel, häufig auch mit Kupfer, Silber, Eisen oder Uran vergesellschaftet. Dies hat zur Folge, dass verschiedene, teils nicht besonders umweltfreundliche Gewinnungsmethoden eingesetzt werden.

Kobalt wird seit langer Zeit für hitzebeständige Farben und Pigmente zur Bemalung von Glas und Keramik verwendet und ist in Form des blauen Kobaltglases besonders bekannt.

Der Einsatz von Kobalt als Legierungselement und in Kobaltverbindungen macht es zu einem strategisch wichtigen Metall für Werkstoffe, die hohe Temperaturen aushalten müssen.

Kobalt ist ein Schlüsselrohstoff für die Herstellung von Batterie-Akkus und somit sowohl für die Elektromobilität wie auch für Wind- und Solarenergie. Seit Lithium-Ionen-Akkumulatoren in den 1990er Jahren auf den Markt kamen, wird Kobalt vor allem für Batterien in der mobilen Anwendungen eingesetzt, da der Lithium-Kobalt-Oxid-Akkumulator (Kobaltoxidschichten mit eingelagertem Lithium) eine besonders hohe Energiedichte aufweist. Während der Entladung wird das Lithium als Lithiumionen freigesetzt.
Nickel-Cadmium-Batterien und Nickel-Metallhydrid-Batterien enthalten auch Kobalt, um in der Batterie die Oxidation von Nickel zu verbessern.

Angesichts des steigenden Bedarfs an Energiespeichern für Lkws, Busse, Nutzfahrzeuge und Milliarden von kleineren Elektrogeräten und der Tatsache, dass derzeit Lithium und Kobalt unverzichtbare Bestandteile der Akkus sind, gilt Kobalt als einer der wichtigsten Rohstoffe der Zukunft.

„Kobalt in Akkus bleibt auf Jahre wichtig. Kobalt weglassen wird so schnell nicht möglich sein."
Hartmann F. Leube, Senior Vice-President BASF

Theoretisch gibt es genügend Kobalt, da die sicheren globalen Reserven auf 25 Millionen Tonnen geschätzt und weitere 120 Millionen Tonnen Ressourcen in der Erdkruste auf den Böden des Atlantischen, Pazifischen und des Indischen Ozeans vermutet werden.

Die wichtigsten Erzlagerstätten befinden sich in der Demokratischen Republik Kongo und insbesondere mit mehr als der Hälfte der global bekannten Reserven im politisch extrem instabilen Südostkongo und in Sambia, ausserdem in Kanada, Russland, Brasilien, Australien.

64 Prozent des weltweit geförderten Kobalts stammt aus dem Kongo. Dort schürfen die Arbeiter unter miserablen, teils menschenunwürdigen Bedingungen in Bergwerken und Minen, die oft minimalste Sicherheitsvorrichtungen nicht gewährleisten und massiv zur Umweltverschmutzung der Gegend beitragen. Die Privatisierung lockte internationale Konzerne an, die Tagebauten aushoben, während arbeitslose Massen auf die unbewirtschafteten Teile der Privatminen strömten. So werden Rohstoffe aus dem illegalen kongolesischen Kleinbergbau in die Wertschöpfungsketten geschleust.

Im Kongo befinden sich aktuell sechs der zehn größten Kobaltminen weltweit. In dem zentralafrikanischen Staat werden aufgrund von Investitionen aus China bis 2022 neun der zehn größten Kobaltminen zu finden sein. Das sollte dazu führen, dass der Kongo den Anteil der weltweiten Kobaltproduktion auf rd. 75% erhöhen dürfte.

Die globale Jahresproduktion an Kobalt liegt derzeit bei 124‘000 Tonnen. Mit dem aktuellen Stand der fortschrittlichsten Technologie werden 400‘000 Tonnen reines Kobalt für 30 Millionen Batterieautos mit 90-kWh-Akku benötigt. Für kleinere Akkus mit geringerer Reichweite liessen sich zwar mehr Fahrzeuge ausrüsten, aber diese Reduzierung wird vom Trend zu grösseren Akkus mit grösserer Reichweite und der steigenden Nachfrage nach Elektroautos bei weitem überkompensiert. Schon in wenigen Jahren ist folglich mit Kobalt-Engpässen zu rechnen. Allein durch die steigende Nachfrage nach Lithium-Ionen-Akkumulatoren dürfte der globale Rohstoffbedarf an Kobalt bis zum Jahr 2030 gegenüber 2006 um das 3-5-Fache steigen. Schon 2017 hat sich der Preis für die Tonne Kobalt auf 70‘000 Dollar mehr als verdoppelt und 2018 mit 95‘000 USD einen absoluten Spitzenwert erreicht.

„Kein Zweifel, das Kobalt im Akku muss langfristig durch andere Werkstoffe ersetzt werden, sonst reicht es nicht für Akkus, um den Massenautomarkt zu elektrifizieren.“
Hartmut Wiggers, Professor für Chemie und Materialkunde, Universität Duisburg

Einerseits drängt sich angesichts dieser Entwicklung und andererseits aufgrund der hohen Konzentration der Kobaltvorkommen auf die politisch instabilen Staaten Kongo und Sambia eine verstärkte Forschung zur Reduktion des Kobaltbedarfs wie für Alternativen auf. Erste Erfolge zeigen, dass sich der Kobaltanteil in der Kathode von 33 auf 15% reduzieren lässt. Batterien auf Basis Nickel-Metall-Hybrid, Mangan- und Eisenphosphat-Elektroden oder Nickel-Elektroden, die kein oder nur geringe Mengen Kobalt enthalten, werden derzeit weiterentwickelt.

Die für die Mobilität weiter zu entwickelnden modernen Energiespeicher setzen eindeutig auf Nickel. Dies dürfte dazu führen, dass der globale Bedarf an Kobalt in absehbarer Zeit markant abnimmt, auch wenn die Verbreitung der Elektrofahrzeuge stark zunimmt.