Wissenswertes zur Elektroauto Batterie

Wissenswertes zur Elektroauto Batterie

Die Batterie ist das entscheidende Bauteil eines E-Autos. Sie beeinflusst maßgeblich Reichweite und Preise  elektrischer Fahrzeuge. Eine größere Batterie im Auto bedeutet zwar mehr Kilometer, 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 wirklich? Und rechtfertigt sie den höheren Preis?

Dieses Mehr an Reichweite muss als Mehr an Strom in Batterien für Elektroautos eingespeist werden. Bei gegebenem Ladestrom wird auch mehr Zeit zum Laden benötigt.

Was spricht für, was gegen größere Batterien?

  • Reichweite
  • Gewicht
  • Ladezeit
  • Verbrauch
  • Preis

Nicht ganz unberechtigt erscheint in diesem Zusammenhang die Frage, ob es aus Erwägungen zum Klimaschutz, Sinn der Elektromobilität ist, Elektroautos mit sehr großen Akkus um die 100 kWh anzubieten. Denn diese kommen dadurch auf weit über 2 Tonnen Gesamtgewicht. Auch dieser Strom musserst einmal produziert werden – im Zweifelsfall entsprechend des deutschen Strommixes mit knapp 30% fossiler Energieträger und entsprechendem CO2-Ausstoss.

"Wer hat's erfunden?"

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 Batterien 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 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 Elektroauto Batterien zu: Viele sogenannte galvanische Zellen werden zu einer Einheit 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 den Batterien.

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 Kilometer Reichweite müssten größere Akkus in die 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. Sie wird gemessen in Wattstunden je Liter (Wh/l).

Mit der gravimetrischen Energiedichte (auch: spezifischen Energie) wird angegeben, wie viel elektrische Energie je Kilogramm Gewicht des Akkus gespeichert ist. Die Maßeinheit ist hier Wattstunden je Kilogramm (Wh/kg). 

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 Rundzellen 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 Materialzusammensetzungen 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 jeder Lithium-Ionen-Akku 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 kann. Wird diese Größe auf das Volumen oder die Masse bezogen, ergibt sich die Leistungsdichte.

Wie leicht ersichtlich ist, brauchen Elektroautos eine größere Leistung über einen längeren Zeitraum als bspw. ein Laptop oder ein Handy. Auf diese höhere Dauerleistung ist der Akkus in Elektroautos 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.

Energiespeicher3.svg
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 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“ Akkus in Elektroautos 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.

Moderne Li-Ionen-Akkus können bis zu ca. 3.000 Ladezyklen verkraften. Selbst wenn Sie für Ihr 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 Auto anfängt nachzulassen. Das bedeutet aber noch nicht das Ende der Lebensdauer des Akkus. Wenn seine Kapazität im 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 Elektroautos über Ladekabel am Stromnetz hängen, werden so im Winter nicht nur die Innenräume vorgeheizt und die Scheiben enteist, sondern auch die Batterien 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, was erstmal ein potentielles Problem darstellt. In der Realität tritt dieser Fall aber eher selten auf, da Sie das regelmäßige Laden in mehr oder weniger kurzen Zeitabständen beim E-Auto ohnehin nicht umgehen können. Es sei denn, Sie kaufen ein elektrisches Stehzeug statt eines Fahrzeugs. 

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

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