Die Elektroauto Batterie: Das entscheidende Bauteil eines E-Autos

Sie beeinflusst maßgeblich sowohl die Reichweite der elektrischen Fahrzeuge als auch deren Preise. Eine größere Batterie im Elektroauto bedeutet zwar mehr Reichweite, aber auch mehr Gewicht und einen höheren Preis. Daher sollten Sie bei der Überlegung, welches E-Auto Sie für sich anschaffen wollen, immer genau abwägen: Brauchen Sie die höhere Reichweite einer größeren Elektroauto Batterie wirklich? Und rechtfertigt die höhere Reichweite den höheren Preis?

Dieses Mehr an Reichweite muss als Mehr an Energie in die Elektroauto Batterie eingespeist werden; bei gegebenem Ladestrom benötigt eine größere Batterie mehr Zeit zum Laden.

Was spricht für, was gegen eine größere Elektroauto Batterie?

  • Reichweite
  • Gewicht
  • Ladezeit
  • Verbrauch
  • Preis

Nicht ganz unberechtigt erscheint in diesem Zusammenhang die Frage, ob es aus Erwägungen zum Klimaschutz Sinn der Elektromobilität sein kann/darf/soll, E-Autos mit sehr großen Akkus um die 100 kWh anzubieten, wenn diese dadurch auf weit über 2 to Gesamtgewicht kommen, aber den Sprint von 0 auf 100 in weniger als 5 Sekunden schaffen, dafür aber an die 30 kWh auf 100 Kilometer verbrauchen. Denn auch dieser Strom muss ja erst einmal irgendwo und irgendwie produziert worden sein – im Zweifelsfall entsprechend des deutschen Strommixes mit knapp 30% fossiler Energieträger und entsprechendem CO2-Ausstoss.

Was sollte man zum Thema Elektroauto Batterie wissen?

Sie ist das entscheidende Bauteil eines E-Autos, aber keine Batterie im eigentlichen Sinn. Vielmehr ist sie ein Akkumulator, kurz: Akku. Ein Akku kann im Gegensatz zu einer Batterie nicht nur Strom abgeben, sondern auch aufnehmen, er ist aufladbar. 

Im allgemeinen Sprachgebrauch hat sich aber der Begriff Batterie für alle möglichen Formen von Speichern etabliert, die chemische Energie in elektrische Energie umwandeln können. Denn das genau passiert in einer Batterie. Im Akku ist dieser Prozess umkehrbar: Elektrische Energie (der Ladestrom) wird in chemische Energie zurück gewandelt und ist dann – anders als der Strom selber – speicherbar.

Wir werden uns dem allgemeinen Sprachgebrauch anschließen und den Begriff Batterie für alle denkbaren Formen von Energiespeichern verwenden.

Der Begriff Batterie geht auf eine „Erfindung“ des französischen Militärs zurück, das mehrere Geschütze zu einer Einheit zusammenstellte und das batterie nannte. Ähnlich, wenn auch deutlich ziviler, geht es in der Elektroauto Batterie zu: Viele sogenannte galvanische Zellen werden zu einer Batterie zusammengeschlossen. Die galvanische Zelle ist der Kern der oben beschriebenen Energieumwandlung, in ihr wird der Strom erzeugt. Wie genau dieser Prozess funktioniert wollen wir hier nicht vertiefen; Wikipedia (u.a.) hat mehr als nur einen erklärenden Artikel dazu.

Warum fahren eigentlich nicht alle Elektroautos 500 oder 1.000 Kilometer weit?

Dann wäre das (vermeintlich) wichtige Thema der Reichweite endgültig abgehakt. Der Grund dafür, warum nicht alle E-Autos 500 Kilometer oder mehr schaffen, liegt – Sie werden es ahnen – an der Elektroauto Batterie.

Grundsätzlich gilt: Je größer der Energiegehalt der Batterie, desto größer ist die Reichweite des Elektroautos.

Dabei stößt die Reichweite des Elektroautos an eine doppelte Grenze. Für mehr Reichweite müssten größere Akkus in die E-Autos eingebaut werden. Der Platz, der im Auto dafür zur Verfügung steht, ist aber begrenzt: Je kleiner das E-Auto, desto weniger Platz für den Akku ist vorhanden. Daher gibt es nur in großen Autos auch große Akkus für große Reichweiten.

Dass die Akkus so viel Platz brauchen, hat seine Ursache in den chemischen Vorgängen in der Batteriezelle. Die elektrische Leistung einer Batteriezelle hängt wesentlich von chemischen Zusammensetzung der Inhaltskomponenten Anode (Minus-Pol), Kathode (Plus-Pol) und Elektrolyt ab. Je nach gewähltem Material ergeben sich unterschiedliche elektrische Spannungen (Volt) und elektrische Leistungen (Milliamperestunden, mAh).

Energiedichte

Wie viel Platz und Gewicht die Energie im Akku benötigt, liegt an der Energiedichte.

Die volumetrische Energiedichte gibt an, wie viel elektrische Energie je Volumeneinheit des Akkus gespeichert ist.

Mit der gravimetrischen Energiedichte (auch: spezifischen Energie) wird angegeben, wie viel elektrische Energie je Kilogramm Gewicht des Akkus gespeichert ist. 

Die Einheiten sind demzufolge Wh/l bzw. Wh/kg. 

Lithium-Ionen-Akkus liegen dabei im Vergleich zu anderen Akkus schon recht weit oben. Sie haben eine Zellspannung von 3,6 V und eine Energiedichte (spezifische Energie) von rund 150 – 200 Wh / kg. Das bedeutet, um einen Akku mit einer Kapazität von 100 kWh (wie im Tesla S 100) zu bauen, braucht es allein 500 – 650 kg an Batteriezellen. Oder im Fall des Tesla S 100 eben 8.256 Rundzelle vom Typ 18650 (18 mm Durchmesser, 65 mm Länge).

Doch damit ist es noch nicht getan. Bei der Umwandlung der gespeicherten chemischen Energie in elektrischen Strom entsteht Wärme; bei viel Strom folglich viel Wärme. Diese wiederum mögen Li-Ionen-Akkus nur bedingt. Bei bestimmtem Material der Kathode kann es insbesondere bei sog. Lithium-Polymer-Akkus (LiPo-Akku) zu einem sog. thermischen Durchgehen der Zellen kommen. Bei etwa + 180°C setzt ein chemischer Prozess ein, der die Kathode vollständig auflöst, sie gast aus und bläht den Akku auf. Der steigende Innendruck führt dann schließlich zu einer Explosion des Akkus mit nachfolgendem Brand.

Daher braucht jede Lithium-Ionen-Batterie ein Batteriemanagement, das auf Zellebene die Stromzufuhr beim Laden und die Stromabgabe beim Entladen steuert, damit die Zelle nicht überhitzt. In E-Autos werden die Zellen zusätzlich gekühlt oder erwärmt. Auch dafür muss Platz im Auto sein.

Leistungsdichte

Ein anderer Aspekt ist die Leistungsdichte des Akkus. Hierbei geht es um die Frage, wie viel Leistung kann der Akku für einen bestimmten Zeitraum abgeben. Wird diese Größe auf das Volumen oder die Masse bezogen, ergibt sich die Leistungsdichte. Wie leicht ersichtlich ist, brauchen E-Autos eine größere Leistung über einen längeren Zeitraum als bspw. ein Laptop oder ein Handy. Auf diese höhere Dauerleistung ist der Akku im Elektroauto hin konzipiert und ausgelegt. Die Begrenzung der Reichweite ist auch darauf zurück zu führen, dass es physikalisch/technisch nicht möglich ist, die Energiedichte und die Leistungsdichte gleichzeitig zu steigern. Eine höhere Leistungsdichte ist nur auf Kosten einer sinkenden Energiedichte zu erreichen et vice versa. Das nachfolgende Diagramm verdeutlicht diesen Zusammenhang für verschiedene Typen von Akkus.

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Von MovGP0. – File:Energiespeicher2.svg, CC BY-SA 2.5, Link

Die Batterieforschung auch in Deutschland schlägt momentan zwei verschiedene Richtungen ein: Neben der weiteren Verbesserung der Leistung von Li-Ionen-Akkus durch neue Materialien für Anode, Kathode und beim Elektrolyt wird auch an Lithium-freien Akkus wie bspw. dem Zink-Luft-Akku oder dem Redox-Flow-Akku geforscht. Das Ziel ist dasselbe: Eine höhere und längere Leistungsabgabe.

Wie kann man die Lebensdauer der Elektroauto Batterie erhalten?

Lithium-Ionen-Akkus haben eine technische Entladetiefe von etwa 95 % ihrer Bruttokapazität. Auch aus Gründen der Zeitersparnis sollten Sie die Elektroauto Batterie daher nie bis auf 0 % der Kapazität leer fahren, ebenso wenig ständig bis 100 % laden. Ein Ladezustand zwischen 10 % und 90 % „gefällt“ dem Akku im Elektroauto deutlich besser – und ist wesentlich schneller geladen. Das Batteriemanagementsystem des Fahrzeugs berücksichtigt diese Parameter bereits, indem es eine Kapazitätsreserve im Akku vorhält und einen Schutz vor Tiefentladung sowie Überladung gewährleistet. Die Ladestandsanzeige im Display des Fahrzeugs stellt auf die Nettokapazität ab, sodass immer noch Sicherheitsreserven bleiben, die nicht ohne weiteres genutzt werden können.

Li-Ionen-Akkus bevorzugen normales Laden gegenüber dem (ausschließlichen) Schnell-Laden mit hohen Gleichströmen. Die dabei auftretende starke thermische Belastung der Batteriezellen beschleunigt deren Alterung. Es reicht dem Akku aber im Regelfall aus, wenn er nur gelegentlich mit weniger Strom „normal“ geladen wird und ansonsten überwiegend an Gleichstrom-Schnell-Ladern. So wird weder Ihre Fahrfreude noch die Lebensdauer der Batterie unnötig eingeschränkt.

Nutzen Sie den Akku mäßig. Probieren Sie nicht dauerhaft aus, was Porsche aktuell „Tolles“ von seinem ersten E-Auto „Taycan“ berichtet: Dass es gelungen sei, den Wagen 26 mal hintereinander in unter 10 Sekunden von 0 auf 200 km/h zu beschleunigen. 

Was Porsche dabei nicht erzählt: Danach war der 90 kWh-Akku leer. Und auf diese Weise strapaziert wird der Akku mit Sicherheit zum Garantiefall mit einer viel zu kurzen Lebensdauer.

Moderne Li-Ionen-Akkus können bis zu ca. 3.000 Ladezyklen verkraften. Selbst wenn Sie für Ihr E-Auto nur die Hälfte davon ansetzen, können Sie mit einem durchschnittlichen E-Auto mit 300 km Reichweite 450.000 Kilometer fahren, bevor der Akku im E-Auto anfängt nachzulassen. Das bedeutet aber noch nicht das Ende der Lebensdauer des Akkus. Wenn seine Kapazität im Elektroauto zu gering geworden ist, kann er ökologisch und ökonomisch sinnvoll als Pufferspeicher in einem Second-Life-Battery-Park eingesetzt werden.

Nutzen Sie die Möglichkeit der Vorklimatisierung. Solange Ihr Elektroauto über das Ladekabel am Stromnetz hängt, wird so im Winter nicht nur der Innenraum vorgeheizt und die Scheiben enteist, sondern auch die Elektroauto Batterie auf ihre Wohlfühltemperatur gebracht; im Sommer geschieht das analog über die Klimaanlage. In beiden Fällen reduziert sich Ihre Reichweite nicht, wenn Sie hierfür Netzstrom nutzen.

Alle Akkus entleeren sich mit der Zeit von selber, wenn sie nicht regelmäßig be- und entladen werden. Auch das verkürzt die Lebensdauer des Akkus. Ein potentielles Problem, das in der Realität aber eher nicht auftreten wird, da Sie das regelmäßige Laden in mehr oder weniger kurzen Zeitabständen beim E-Auto ohnehin nicht umgehen können – außer, Sie kaufen ein elektrisches Stehzeug statt eines Fahrzeugs. 

Nutzen Sie die Elektroauto Batterie am besten mäßig, aber regelmäßig!

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