Technische Grundlagen


Batterie

Wissenswertes zu der Batterie eines Elektroautos

Die Akkumulatorentechnologie ist dieselbe, die auch in Notebooks und Mobiltelefonen verbaut ist. Aufgrund ihrer hohen Energie- und Leistungsdichte haben sich Lithium-Ionen-Batterien gegenüber anderen Batterietypen durchgesetzt.

Status quo Akkumulatorentechnologie

Der täglich im Sprachgebrauch verwendete Begriff "Batterie", ist eigentlich eine ganz andere Form von Energiespeicher. Die Batterie wird in Fachbüchern als Primärbatterie bezeichnet, sie verfügt über einen chemischen Speicher und einen elektrisch-chemischen Wandler. Aus diesem Grund ist diese Form von Batterie nicht wieder aufladbar. Die Batterie von der wir bei Elektroautos sprechen, bezeichnet man als Akkumulator (kurz Akku) oder Sekundärbatterie. Diese besitzt einen zusätzlichen Wandler, daher ist diese Form von Batterie wieder aufladbar. In der Praxis werden die Begriffe, trotz seiner essentiellen Unterschiede, synonym verwendet. In der Öffentlichkeit wird der Akku in vielerlei Hinsicht kritisiert. Der durchschlagende Erfolg des Elektroautos ist eindeutig mit den Forschungsfortschritten des Akkus verknüpft. Die Akkumulatoren-Forschung verfolgt das Ziel, eine größere Energie- und Leistungsdichte bei geringerem Gesamtgewicht des Akkus zu erreichen.

Exkurs:
Reichweitemax = Energiedichte (Wh/kg) x Masse der Batterie (kg)

Je größer die Energiedichte ist, desto mehr Energie kann bei gleichem Gewicht der Batterie gespeichert werden.

Vorteile von Lithium-Ionen Akkus gegenüber anderen Akkus

  • Hohe Energiedichte/große Leistungsfähigkeit
  • Geringes Gewicht und Volumen
  • Höhere Umweltverträglichkeit, da Lithium-Ionen Akkus giftige Substanzen wie Blei, Quecksilber oder Cadmium nicht enthalten
  • Kein Memory-Effekt (Kapazitätsverlust durch hohe Anzahl von Ladezyklen)
  • Vergleichsweise gute Temperaturbeständigkeit

Beispielrechnung:
Prämissen: ∅ Verbrauch des E-Autos = 15 kWh/100 km; Reichweite = 200 km

Lithium-Ionen AkkuBlei Akku
Energiedichte130 Wh/kg30 Wh/kg
Gewicht230 kg920 kg

Funktionsweise

Eine Batterie ist ein elektrochemischer Energiespeicher, welcher aus mehreren in Reihe geschalteten galvanischen Zellen besteht, die in einem Gehäuse untergebracht sind. Beim Aufladen einer Batterie wird die zugeführte elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt und gespeichert (Reduktions-Oxidations-Reaktion, kurz Redoxreaktion). Bei der Redoxreaktion handelt es sich um eine elektrochemische Reaktion, bei der ein Stoff A Elektronen abgibt (Oxidation), die von einem Stoff B aufgenommen werden (Reduktion). Elektronen können nicht direkt gespeichert werden, sondern müssen immer in eine andere Energieform umgewandelt werden. Die Energiewandlung findet in der galvanischen Zelle statt. In der galvanischen Zelle sind zwei Elektroden verbaut, welche sich in einem ionisch leitenden Elektrolyt befinden. Zwischen der (positiv geladenen) Kathode und der (negativ geladenen) Anode fließt der Elektronenstrom. Ein nicht leitender Separator trennt die Elektroden voneinander, um einen Kurzschluss zu verhindern. Lediglich der Ionenstrom kann den Separator passieren. Sobald ein Verbraucher angeschlossen wird, im Falle eines Elektroautos der Elektromotor, wird dieser Prozess umgekehrt und elektrische Energie freigegeben – das Elektroauto bewegt sich.

Funktionsweise Batterie

Preisentwicklung

Der Kostenfaktor "Batterie" lässt die E-Autos im Anschaffungspreis alt aussehen. Eine Kilowattstunde (kWh) liegt etwa bei 200 Euro. Bei einer gängigen Akkugröße von 60 kWh führt zu einem Akkugesamtpreis von 12.000 Euro. Mit Blick auf die Jahre 2010 bis 2016, ist ein deutlicher Preisverfall von 80 Prozent bei steigender Energiedichte zu verzeichnen. In Zukunft ist mit einem weiteren Preisverfall der Akkus zurechnen. Das wird die Elektroautos in Summe weiter attraktiver machen.

Preisentwicklung der Zellkosten und Energiedichte

Nutzungsdauer und Recycling von Akkus

Die Nutzungsdauer eines Akkus steht in direkter Verbindung mit der Lebensdauer des Elektroautos. Jeder Akku verliert mit fortschreitender Zeit durch sein ständiges Laden und Entladen an Speicherfähigkeit. Die bedeutendste Rolle bei der Batteriealterung spielt die Temperatur der Zellen. Die Lithium-Ionen-Akkus verlieren bei hoher Umgebungstemperatur oder schlechter Wärmeabfuhr der Batteriepackungen schnell an Leistungsfähigkeit.

Batterie mit niedriger Ladung
Audi e-Tron

Temperaturen über 30 Grad Celsius führen zu einer extremen Belastung des Lithium-Ionen-Akkus. Gemäß den Herstellerangaben soll die Akkuleistung nach 8 Jahren noch mindestens 80 % ihrer ursprünglichen Kapazität liefern – hierbei ist es unabhängig ob der Akku an der heimischen Steckdose oder an einer Schnelladestation geladen wurde. Für Akkupackungen die ihren Lebenszyklus überschritten haben gibt es eine sogenannte „Second Life-Lösung“. Die (Rest-) Kapazität eines alten Akkus kann in Form eines stationären Energiespeichers für erneuerbare Energiequellen weiterleben.

Im Bereich Recycling liegen keine Erfahrungswerte, aufgrund der frühen Marktphase der Elektroautos. Dennoch gibt die europäische Union nach der Direktive 2006/66/EC vor, dass mindestens 50 Prozent des Batterieabfalls recycelt werden müssen. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf der Wiedergewinnung der Bestandteile Kobalt und Nickel. Der Rohstoff Lithium wird aufgrund der hohen Wiederverwertungskosten wenig beachtet.

Batterie Recycling

Welchen Einfluss hat das Schnellladen auf die Batterien?

Laut Hersteller sollen Elektroautos durch das Schnellladen in einer halben Stunde bis zu 80 Prozent ihrer maximalen Ladekapazität erreicht haben. Hierbei sollte beachtet werden, dass Schnellladungen die Akkuzellen in unterschiedlichster Weise belasten. Es kann hierbei zu Überhitzungen des Akkus führen und somit zu langfristigen Verringerung des Energiespeichers. Sollte eine Batteriedegradation beim Schnellladen gelingen, würde durch eine Netzüberlastung wirtschaftlicher Schaden entstehen. Durch einen Focus auf das Schnellladen wäre die Konsequenz eine preisliche Anhebung der Fahrzeugakkus, Peripherie für Elektroautos, Ladestationen, Ladestromkosten, Kraftwerksparks und stationäre Speicher.

Tesla Ladestation