Umweltwirkungen Von Wiederaufladbaren Lithium-Batterien Für Den Einsatz in Mobilen Endgeräten Der Information- Und Kommunikationstechnik (IKT)
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Umweltforschungsplan des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit Forschungskennzahl 3713 95 316 UBA-FB-00 [trägt die UBA-Bibliothek ein] Umweltwirkungen von wiederaufladbaren Lithium-Batterien für den Einsatz in mobilen Endgeräten der Information- und Kommunikationstechnik (IKT) von Christian Clemm Paul Mählitz Alexander Schlösser Prof. Dr.-Ing. Vera Susanne Rotter Prof. Dr.-Ing. Dr. sc. techn. Klaus-Dieter Lang Technische Universität Berlin Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik Forschungsschwerpunkt Technologien der Mikroperipherik Sekretariat TIB 4/2-1 Gustav-Meyer-Allee 25 D-13355 Berlin Im Auftrag des Umweltbundesamtes Abschlussdatum Oktober 2015 Berichtskennblatt Berichtsnummer UBA-FB 00 Titel des Berichts Umweltwirkungen von wiederaufladbaren Lithium-Batterien für den Einsatz in mobilen Endgeräten der Information- und Kommunikati- onstechnik (IKT) Autor(en) Christian Clemm (Name, Vorname) Paul Mählitz Alexander Schlösser Prof. Dr.-Ing. Vera Susanne Rotter Prof. Dr.-Ing. Dr. sc. techn. Klaus-Dieter Lang Durchführende Institution Technische Universität Berlin (Name, Anschrift) Forschungsschwerpunkt Technologien der Mikroperipherik Sekr. TIB 4/2-1 Gustav-Meyer-Allee 25 13355 Berlin Fördernde Institution Umweltbundesamt Postfach 14 06 06813 Dessau-Roßlau Abschlussjahr 2015 Forschungskennzahl (FKZ) 3713 95 316 Seitenzahl des Berichts 135 Zusätzliche Angaben Schlagwörter Lebensdauer, Umweltwirkungen, Notebook-Akku, Tablet-Akku, Öko- bilanz, Felddaten, Laboruntersuchungen, Empfehlungen, Ökodesign, Wärmemanagement Report Cover Sheet Report No. UBA-FB 00 Report Title Environmental impacts of rechargeable lithium-batteries for mobile devices of the information and communication technology (ICT) Author(s) Christian Clemm (Family Name, First Name) Paul Mählitz Alexander Schlösser Prof. Dr.-Ing. Vera Susanne Rotter Prof. Dr.-Ing. Dr. sc. techn. Klaus-Dieter Lang Performing Organisation Technische Universität Berlin (Name, Address) Forschungsschwerpunkt Technologien der Mikroperipherik Sekr. TIB 4/2-1 Gustav-Meyer-Allee 25 13355 Berlin Funding Agency Umweltbundesamt Postfach 14 06 06813 Dessau-Roßlau Report Date (Year) 2015 Project No. (FKZ) 3713 95 316 No. of Pages 135 Supplementary Notes Keywords Lifespan, Environmental Impacts, Notebook Battery, Tablet Battery, Life Cycle Assessment, Field Data, Laboratory Test, Recommenda- tions, Ecodesign, Thermal Management Umweltwirkungen von wiederaufladbaren Lithium-Batterien für den Einsatz in mobilen Endgeräten der Information- und Kommunikationstechnik (IKT) Kurzbeschreibung In Notebooks und vielen anderen mobilen Geräten der Informations- und Kommunikationstechnik (IKT) hat der Akku oft eine kürzere Lebensdauer als das Gesamtprodukt. Bei einem mobilen Gerät, bei dem der Akku nicht ausgewechselt werden kann, begrenzt die Lebensdauer des Akkus auch die Lebensdauer des Gesamtproduktes. Trotzdem ist über die tatsächliche Lebensdauer von Lithium- Akkumulatoren (Lithium-Akkus), deren Lebenszyklus und den damit verbundenen Umweltwirkungen nur relativ wenig bekannt. Das Forschungsvorhaben untersucht die Lebensdauer von Lithium-Akkus im Labor und im Feld. Im Ergebnis zeigt sich, dass aktuelle Lithium-Akkus für Tablet-PC unter Laborbedingungen mehrere hundert oder tausend Ladezyklen durchlaufen können, bis das Ende der nutzbaren Lebensdauer erreicht wird. Die Daten der Notebook-Akkus im Feld streuen stark, deuten jedoch auf nur wenige hundert Ladezyklen. Unterschiede zwischen verschiedenen Herstellern und verschiedenen Nutzungsszenarien sind deutlich erkennbar. Die Umweltwirkungen eines Lithium-Kobaltoxid (LCO)-Notebook-Akkus wurden mithilfe von Primärdaten eines großen Akkuherstellers sowie Sekundärdaten für das End-of-Life (EOL) abgeschätzt. In den untersuchten Umweltwirkungen über den gesamten Lebenszyklus des Lithium- Akkus eines Notebooks dominiert die Herstellungsphase eindeutig, wobei die Nutzungsphase dem Endgerät zugerechnet und damit nicht betrachtet wird. Abstract The rechargeable (secondary) batteries of notebooks and many other mobile devices of the infor- mation and communications technology (ICT) often have a shorter lifespan than the device in its en- tirety. Further, the durability of the battery limits the lifespan of mobile devices where the battery cannot easily be replaced. Nevertheless, little data is available on the actual lifespan of lithium- batteries, their lifecycle and the associated environmental impacts. The current research investigates the lifespan of secondary lithium-batteries under laboratory and real use conditions. Results show that current secondary batteries of the ICT can, under controlled conditions, go through several hundred and even up to several thousand charge/discharge cycles before reaching the end of their useful lifespan. In contrast, data from the field suggest that notebook batteries reach the end of their useful lifespan after only a few hundred charging cycles. The data scatters significantly and varies between different manufacturers as well as between different use scenarios. Environmental impacts of a lithium cobalt oxide (LCO) notebook battery were assessed using primary data for production and secondary data for end-of-life (EOL) processing. The production phase dis- tinctively dominates the battery’s life cycle in terms of environmental impacts. However, the use phase is allocated to the device powered by the battery and thus is not assessed in this study. 5 Umweltwirkungen von wiederaufladbaren Lithium-Batterien für den Einsatz in mobilen Endgeräten der Information- und Kommunikationstechnik (IKT) Danksagung Die Autoren bedanken sich herzlich für umfangreiche Hilfestellung und freundliche Unterstützung bei folgenden Institutionen und Personen: ▸ AfB social & green IT Berlin, insbesondere Klaus Bölling ▸ Coconut Battery, insbesondere Christoph Sinai ▸ Fachbereich Ingenieurwissenschaften der Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin (HTW), insbesondere Prof. Dr. Romy Morana, Christian Kunisch, Oliver Krieft, Michel Rösler und Sebastian Hübner ▸ Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM, insbesondere Karsten Schischke, Dr. Lutz Stobbe, Krystan Marquardt, Marco Muhl ▸ dem Expertenkreis sowie den Teilnehmerinnen und Teilnehmern des Workshops ▸ Marina Köhn, Maike Janßen und ihren Kolleginnen und Kollegen für die gute Zusammenarbeit 6 Umweltwirkungen von wiederaufladbaren Lithium-Batterien für den Einsatz in mobilen Endgeräten der Information- und Kommunikationstechnik (IKT) Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis .............................................................................................................. 9 Tabellenverzeichnis ................................................................................................................. 13 Abkürzungsverzeichnis ............................................................................................................ 15 Zusammenfassung .................................................................................................................. 17 Summary ................................................................................................................................ 29 1 Hintergrund und Begriffsbestimmungen ........................................................................... 41 1.1 Begriffsbestimmung .......................................................................................... 41 1.2 Hintergrund ...................................................................................................... 42 2 Zielsetzung und Untersuchungsrahmen ............................................................................ 45 2.1 Ziel und Aufgabe ............................................................................................... 45 2.2 Marktrelevanz ................................................................................................... 45 2.4 Untersuchungsrahmen ....................................................................................... 48 2.4.1 Untersuchungsgegenstand ............................................................................ 48 2.4.2 Festlegung der Systemgrenzen ....................................................................... 48 2.4.3 Funktion und funktionelle Einheit ................................................................... 49 2.4.4 Berücksichtigte Wirkungskategorien ............................................................... 50 3 Bestimmung der Lebensdauer eines Akkus ....................................................................... 51 3.1 Lebensdauer unter standardisierten Laborbedingungen ....................................... 51 3.1.1 Beschreibung der Akkus ................................................................................ 52 3.1.2 Eingangsprüfung ........................................................................................... 52 3.1.3 Beschreibung des Zyklisierungsverfahrens ..................................................... 53 3.1.4 Verwendete Geräte ........................................................................................ 54 3.1.5 Ergebnisse .................................................................................................... 55 3.1.6 Diskussion .................................................................................................... 58 3.2 Felddatenerhebung zur Untersuchung der Lebensdauer ....................................... 60 3.2.1 Auslesen von Akkudaten ...............................................................................