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Batterietechnologien von Elektroautos

(vom 14.01.2020)

Die Batterie eines Elektroautos ist im eigentlichen Sinne ein Akkumulator oder kurz Akku.

Dieser wiederaufladbare Energiespeicher macht den Großteil des Gewichts des Fahrzeuges aus. Wie in Notebooks und Mobiltelefonen werden für Elektrofahrzeuge Lithium-Ionen-Akkumulatoren verwendet. Für diese Technologie spricht ihre hohe Energie- und Leistungsdichte. Höhere Energie- und Leistungsdichten des Akkus bedeuten gleiche Reichweite bei geringerem Gesamtgewicht.

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 keine giftigen Substanzen wie Blei, Quecksilber oder Cadmium enthalten
  • Kein Memory-Effekt (Kapazitätsverlust durch hohe Anzahl von Ladezyklen)
  • Vergleichsweise gute Temperaturbeständigkeit

Beispielrechnung:

Prämissen: Durchschnittlicher Verbrauch des E-Autos ist 15 Kilowattstunden je 100 Kilometer bei einer Reichweite von 200 Kilometer.

Lithium-Ionen-Akku Blei-Akku
Energiedichte
(in Wattstunde pro Kilogramm)
130 Wh/kg 30 Wh/kg
Gewicht
(in Kilogramm)
230 kg 920 kg

Tabelle 1: Vergleich eines Lithium-Ionen-Akkus mit einem Blei-Akku, Beispielrechnung

Funktionsweise einer Batterie

Eine Batterie ist ein elektrochemischer Energiespeicher. Sie besteht aus mehreren in Reihe geschalteten galvanischen Zellen, die in einem Gehäuse untergebracht sind. Beim Aufladen wird die zugeführte elektrische in chemische Energie umgewandelt und gespeichert. Da Elektronen nicht direkt gespeichert werden können, müssen sie in eine andere Energieform umgewandelt werden. Diese Energiewandlung findet in der galvanischen Zelle statt. Dort 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 E-Auto bewegt sich.

Preisentwicklung

Derzeit sind Batterien der Preistreiber von Elektroautos. Ein Gesamtbatteriepaket liegt bei etwa 200 Euro pro Kilowattstunde. Bei einer gängigen Akkugröße von 60 Kilowattstunden würde dies Mehrkosten von rund 12.000 Euro gegenüber einem Verbrennungsfahrzeug bedeuten. In den letzten Jahren hat die technologische Entwicklung zu günstigeren Batterien geführt. So fielen zwischen 2010 und 2016 die Preise für Akkus um 80 Prozent – bei zunehmender Energiedichte. Diese Entwicklung wird sich fortsetzen und Elektroautos für mehr Menschen attraktiv machen.

Nutzungsdauer und Recycling von Akkus

Jeder Akku verliert beim Gebrauch die Fähigkeit, Energie zu speichern – zulasten der Lebensdauer des Fahrzeugs. Zum einen verringert sich die nutzbare Kapazität durch Nichtbeanspruchung – zum Beispiel beim Parken des Autos –, zum anderen verlieren die Batterien bedingt durch das Fahren und die Ladevorgänge immer mehr an Leistung. Besonders verantwortlich für die Batteriealterung ist jedoch die Temperatur der Zelle. Akkus verlieren bei hoher Umgebungstemperatur oder schlechter Wärmeabfuhr der Batteriepackung schnell an Leistungsfähigkeit. Bereits Temperaturen über 30 Grad Celsius führen zu einer erhöhten Belastung des Lithium-Ionen-Akkus.

Hersteller werben heute damit, dass Akkus für Elektroautos nach acht Jahren Nutzungsdauer noch mindestens 80 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität liefern – unabhängig davon, ob die Zellen schonend zu Hause oder an Schnellladestationen geladen wurden. Akkus mit einer geringeren (Rest-)Kapazität können zu großen Paketen gebündelt als Energiespeicher für erneuerbare Energiequellen weiterleben. Als sogenannte Second-Life-Lösung wurden in Deutschland bereits mehr als 1.000 gebrauchte Fahrzeugbatterien zu einem Großspeicher umfunktioniert.

Aufgrund der frühen Marktphase von Elektroautos liegen heute kaum Erfahrungswerte zum Recycling von Lithium-Ionen-Akkus vor. Dennoch schreibt die EU-Direktive 2006/66/EC vor, dass mindestens 50 Prozent des Batterieabfalls recycelt werden müssen. Ziel ist es, die wertvollen Rohstoffe Kobalt und Nickel wiederzuverwerten.

Einfluss des Schnellladens auf Batterien

Durch das Schnellladen sollen Akkus nach nur einer halben Stunde bis auf 80 Prozent ihrer maximalen Speicherkapazität aufgeladen werden, so Herstellerangaben. Dennoch sollte die Schnellladung eher eine Ausnahme als die gängige Ladeart sein. Denn: Bei ausschließlicher Schnellladung erfolgt kein Spannungsausgleich zwischen den einzelnen Batteriezellen. Das kann wiederum dazu führen, dass Akkus überhitzen und ihre Energiespeicherfunktion langfristig beeinträchtigt wird.
Auch wenn es gelingen sollte, die Schäden der Batterie durch das Schnellladen zu minimieren, käme es durch die Netzbelastungen zu einem wirtschaftlichen Schaden. Grundsätzlich wird die Technologie durch den Fokus auf das Schnellladen kostenintensiver.

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