Elektroautos und ihre Batterien

Dies ist der teuerste, wichtigste und vor allem umstrittenste Teil des gesamten Elektroautos. Gegner von Elektroautos geben normalerweise Batterien als Hauptproblem an - zusätzlich zu ihrem hohen Preis erwähnen sie die kurze Lebensdauer, die Notwendigkeit eines frühzeitigen Austauschs, eine unzureichende Reichweite und die Belastung der Umwelt bei der Wiederverwertung.

Viele der oben genannten Punkte waren früher wahr, gelten aber heute nicht mehr. In diesem Artikel werden wir uns auf alle genannten Bereiche konzentrieren. Wir werden zuerst vorstellen, wie Batterien konstruiert sind, was ihre wichtigsten Parameter sind, wir werden uns im Detail mit ihrer Kapazität, Reichweite und Lebensdauer befassen, aber auch, wie die Batterie zu pflegen ist und was nach 15 Jahren damit passiert, wenn sie ihren ursprünglichen Zweck nicht mehr erfüllen können. Zum Schluss geben wir Neugierigen einen kurzen Überblick über die Entwicklung von Batterien von Elektroautos.

Nissan Laf
Elektroauto und seine Batterie. Autor: FirstEnergy Corp. (Lizenz CC BY-ND 2.0)

Konstruktion von Batterien

Die Batterien für Elektroautos unterscheiden sich nach Hersteller, und jeder Autohersteller stellt leicht unterschiedliche Batterien her, bei denen die chemische Reaktion etwas anders abläuft, aber im Grunde sind alle aus Batteriezellen und -modulen gleich aufgebaut.

Battery design

Evaluation of a Remanufacturing for Lithium Ion Batteries from Electric Cars. Quelle: https://www.semanticscholar.org/

Batterien bestehen aus Hunderten (manchmal Tausenden) kleiner Batteriezellen (Bild - Batteriezellen), die entweder in Reihe oder parallel verbunden sind, um die erforderliche Spannung und den erforderlichen Strom zu gewinnen. Jede Batteriezelle hat eine Spannung von 3-4V. Derzeit werden drei Typen verwendet: zylindrisch, prismatisch und kastenförmig, von denen jeder seine Vor- und Nachteile hat.

Tesla verwendet zylindrische Zellen. Ihr Hauptvorteil ist die Reife und die hohe Optimierung bei der Herstellung. Es ist auch die billigste Variante, die auch den höchsten Wirkungsgrad hat. BMW und Volkswagen verwenden prismatische Zellen, die platzsparend, besser gekühlt und nicht teuer bei der Herstellung sind, aber eine geringe Energiedichte und Probleme mit der Anzahl der Lade- und Entladezyklen aufweisen. Nissan, Renault und Chevrolet verwenden kastenförmige Batterien, die hinsichtlich des Designs und der Kapazität der einzelnen Module am flexibelsten sind, doch sowohl Temperatur als auch Druck müssen sorgfältig kontrolliert werden.

Batteriezellen bestehen aus Batteriemodulen, die die Grundlage jeder Batterie bilden. Der Grund für diese Anordnung ist eine einfachere Produktion, Installation, Management und Wartung. Bei Bedarf können die einzelnen Module ausgetauscht werden, und im Brandfall trägt diese Anordnung dazu bei, die Expansionsgeschwindigkeit zu senken.

Battery Moduls
Batteriemodulen. Autor: Kevin Krejci (Lizenz CC BY 2.0)

Die Batteriemodule bestehen aus einer Kühleinheit, Temperaturüberwachung und normalerweise auch aus einer Spannungsüberwachung, die Informationen an das Batteriemanagementsystem (BMS) senden, das dann für die Aufrechterhaltung der optimalen Umgebung sorgt. Die Module enthalten auch Relais und andere Komponenten, die die korrekte Verteilung von Strom und Spannung gewährleisten. Dank dessen kann sichergestellt werden, dass alle Zellen gleichmäßig geladen und entladen werden, was sich sehr positiv auf den Akkulebensdauert des Elektroautos auswirkt.

Wichtige Batterieparameter

Hersteller von Batterien für Elektrofahrzeuge müssen viele wichtige Anforderungen zum Gleichgewicht bringen. Da es sich um ein mobiles Auto handelt, sind das Gewicht und die Größe der Batterie entscheidend. Aus diesem Grund werden bei Batterien ihre spezifische Energie oder Energiedichte angegeben – es geht um die Energie pro Gewichtseinheit, bzw. Volumen (d.h. wh / kg oder wh / l).

Strom report
Nachricht vom Strom Institut über Tesla Batterie. Autor: Strom- Report (Lizenz CC BY-ND 2.0)

Die Forschungen finden in Richtung der Batterie mit der höchstmöglichen Energiedichte statt. Während sich die einige auf die Energiedichte einzelner Batterieeinheiten konzentrieren, konzentrieren sich die andere eher auf die Dichte des gesamten Moduls, wobei auch die Form der Batterieeinheiten und ihre Anordnung ins Spiel kommen.

Wichtig ist auch die Anzahl der Lade- und Entladezyklen, in denen die Batterie des Elektroautos ihre Eigenschaften beibehalten kann, was insgesamt die Batterielebensdauer anzeigt. Normalerweise hält der Akku 1000 - 1500 Zyklen, aber es erscheinen bereits Akkus, die sogar 7000 Ladungen aushalten können.

Zum Schluss ist auch der Preis wichtig, der bisher rund 30% des Gesamtpreises eines Elektroautos ausmacht. Meistens stoßen wir auf die Daten pro Energieeinheit - gewöhnlich USD / kWh. In 2010 ging es um 1100 USD / kWh, in 2019 waren es nur 156 USD / kWh. Wir könnten die erwartete Grenze von 100 USD / kWh in 2024 überschreiten. Es geht um das Ergebnis einer höheren Batterieeffizienz, einer höheren Energiedichte und einer besseren Automatisierung der Produktionsprozesse. Durch die Senkung des Batteriepreises dürfte sich die Anschaffungsinvestition in ein Elektroauto und in ein Auto mit Verbrennungsmotor bald ausgleichen.

Kapazität und Reichweite

Das Wichtigste hängt von allen oben genannten Merkmalen ab - der Kapazität der Elektroautobatterie und damit ihrer Reichweite.

Auf Grund der verfügbaren Technologie, die die maximale spezifische Energie einzelner Batterietypen angibt und um Gewicht, Preis und Reichweite so gut wie möglich ins Gleichgewicht zu bringen, gibt es zur Zeit auf dem Markt Batterien von 16 kWh (Mitsubishi und MiEV) bis 90 kWh (Tesla S).

Im Allgemeinen haben Bleibatterien eine Reichweite von 30 bis 80 km, Nickelbatterien bis zu 200 km und Lithiumbatterien von 320 bis 480 km. Rekuperative Bremse, die Energie vom Bremsen zurück auf die Batterie übertragen und dann verwenden kann, kann die Reichweite im normalen Stadtverkehr um 10-15% und unter extremen Bedingungen um bis zu 50% erweitern.

Display Electromobil
Elektroauto Display. Autor: Motor Verso. (Lizenz CC BY 2.0)

Darüber hinaus hängt die Reichweite der Batterien von vielen verschiedenen Faktoren ab, wie z. B. Wetter. Während das Auto mit Verbrennungsmotor im Winter aufgrund der vom Motor erzeugten Wärme erwärmt wird, muss bei Elektroautos ein Teil der Kapazität der Batterie zum Aufwärmen geschenkt werden. Beim Testen des Tesla S konnte die eingeschaltete Klimaanlage die Reichweite um bis zu 96 Kilometer reduzieren. Darüber hinaus hängt die Reichweite von Landschaft, Fähigkeiten des Fahrers, Gewicht und Fahrzeugtyp ab - genau wie bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor.

Batterielebensdauer 

Eine der häufigsten Ängste ist der zu frühe Verlust der Batteriekapazität und die Notwendigkeit, diese zu ersetzen. Die Erfahrung der meisten Elektriker hat jedoch gezeigt, dass diese Befürchtung bei Batterien mit fortschrittlichen Batteriemanagementsystemen (BMS) unbegründet ist. Neben dem BMS nehmen auch das Bordladegerät und die Ladestationen (Stromquelle) am Ladevorgang teil, die ständig miteinander kommunizieren, damit der Akku durch das Laden nicht gefährdet wird.

Nissan LEAF, das zwischen 2010 und 2016 mehr als 250.000 Autos verkaufte, musste aufgrund interner Defekte nur 0,01% der Batterien ersetzen. Viele Autos sind mehr als 200.000 Kilometer gefahren und behielten während dieser Zeit 90% der Batteriekapazität. Selbst nach mehr als 160.000 Kilometern hat der Tesla Roadster unabhängig von der Klimazone, in der er eingesetzt wurde, zwischen 80 und 85% der Kapazität beibehalten.

In der Regel sind nur wenige Zellen in der Batterie eines Elektroautos defekt, die dank der modularen Anordnung leicht ausgetauscht werden können und die Batterie dann problemlos weiter funktionieren kann. Das Modell S Tesla bietet eine Garantie von 8 Jahren. Darüber hinaus wird geschätzt, dass Lithiumbatterien zusammen mit Sonnenkollektoren eine Lebensdauer von mehr als 20 Jahren haben.

Nissan Leaf
Nissan LEAF. Autor: Jakob Härter. (Lizenz CC BY-SA 2.0)

Batteriepflege, Wiederverwertung oder das zweite Leben

Batteriekapazität und ihrer Lebensdauer hängen nicht nur vom Batterietyp und der darin stattfindenden chemischen Reaktion ab, sondern auch vom Fahrerverhalten und der Batteriepflege. Tiefer Zyklus von Lithiumbatterien sollte niemals weniger als 20% ihrer Gesamtkapazität entladen werden. Bei neueren Generationen ist es möglich, sie etwas mehr zu entladen, aber unter keinen Umständen sollten sie vollständig entladen werden.

Derzeit schließen einige Hersteller einen Teil der Batteriekapazität, um sicherzustellen, dass die Batterie niemals zu viel entladen wird. Zum Beispiel hat Ford begonnen, die sogenannte nutzbare Batteriekapazität seiner Autos anzugeben, um diese Tatsache zu berücksichtigen.

Ebenso wichtig ist es, dass der Akku nach Möglichkeit über "langsame" AC Ladestationen aufgeladen wird. DC Ladestationen über 20 kW sind für Fernreisen festgelegt, ihre Verwendung sollte jedoch nach Möglichkeit nicht übertrieben werden.
Sobald die Batterie für den Betrieb des Elektroautos nicht mehr ausreicht, gibt es zwei weitere Möglichkeiten, das sogenannte zweite Leben und die Wiederverwertung..

Second life
Das zweite Leben von Batterien. Autor: Daniel Lerps (Lizenz CC BY-ND 2.0)

Wenn die Batterie für den Betrieb von Elektrofahrzeugen nicht mehr geeignet ist, kann ihr ein zweites Leben verliehen werden, für die keine so hohe Kapazität erforderlich ist. Batterien werden am häufigsten als stationärer Batteriespeicher der Energie verwendet. Bei der Nutzung von Energie aus erneuerbaren Quellen besteht das Hauptproblem in dem Unterschied zwischen dem Zeitpunkt, zu dem Strom erzeugt und verbraucht werden kann, und den unzureichenden Speichermöglichkeiten. Genau hier können Batterien für Elektroautos helfen. Anstatt die Umwelt zu belasten, wird der Anteil der Energie aus erneuerbaren Quellen erhöht.

Wiederverwertung ist der letzte Schritt, bei dem das Ziel darin besteht, die maximal mögliche Menge an gebrauchtem Material mit der geringsten Energiemenge zurückzugewinnen. EU-Richtlinien verpflichten Hersteller, Batterien aktiv zu sammeln und auf eigene Kosten wiederzuverwerten. Der schwierigste Teil ist das direkte Wiederverwertung von Batteriezellen und die Trennung von Metallen, die für eine bestimmte chemische Reaktion verwendet werden. Selbst mit Kobalt ist es jedoch möglich, einen Wirkungsgrad von bis zu 85% zu erreichen.

Wie war die Entwicklung der Batterien? Und ihre Zukunft?

Und zum Schluss für die, die neugierig sind, ein Artikel darüber, wie wir zu aktuellen Batterien gekommen sind und wie die aktuelle Forschung aussieht.

Die ersten Elektroautos, die bereits zu Beginn des 20. Jahrhunderts auf dem Markt erschienen, verwendeten Bleibatterien für ihren Antrieb. Diese waren leicht verfügbar und vor allem billig, deren Forschung zu dem Zeitpunkt bereits sehr weit fortgeschritten war. Die Hauptnachteile von Bleibatterien sind, dass sie niemals unter 50% entladen werden sollten und dass eine regelmäßige Elektrolytüberwachung erforderlich ist. Gleichzeitig sind sie relativ schwer und machen 25-50% des Gesamtgewichts des Elektroautos aus. Die Lebensdauer von Bleibatterien betrug ca. drei Jahre.

Wie andere Batterien hat die Bleibatterie im Vergleich zu Benzin oder anderen fossilen Brennstoffen eine geringe spezifische Energie. In diesem Fall macht sie 30-50 Wh / kg. Ihr üblicher Wirkungsgrad liegt bei 70-75% und bei kaltem Wetter senkt noch um bis zu 40%.

Henney KILOWATT
Henney Kilowatt. 1962-1964. Autor: Alden Jewell (Lizenz CC BY 2.0)

Später erschienen Nickel-Metallhydrid Batterien, die eine bessere spezifische Energie als Bleibatterien haben und darüber hinaus eine sehr lange Lebensdauer aufweisen. Die Batterie der ersten Toyota RAV4 Hybridautos ist nach mehr als 160.000 Kilometern und mehr als 10 Jahren noch funktionsfähig. Die Angst, die einige Gegner von Elektroautos so oft zitieren, dass die Batterie nicht lange hält und ausgetauscht werden muss, galten für die letzte Batteriegeneration nicht mehr. Die Nachteile waren jedoch ein geringer Wirkungsgrad, hohe Selbstentladungsraten und schlechte Eigenschaften bei kaltem Wetter.

Dann erschienen Batterien namens Zebra. Um sie zu verwenden, musste der Elektrolyt auf 270 ° C erhitzt werden, und daher war das kalte Wetter kein Problem mehr. Nur die anfänglichen Heizkosten stiegen. Außerdem waren sie nicht toxisch und hatten eine höhere spezifische Energie - bis zu 120 Wh / kg. Dafür war die Leistung jedoch sehr niedrig <300 W / kg, und die Notwendigkeit eines anfänglichen Aufwärmens war ein Glücksspiel und vor allem ein Problem, wie der Akku geladen bleiben sollte.

Electric car Volta
Elektroauto Volta 1963. Autor: Alden Jewell (Lizenz CC BY 2.0)

1979 wurde erstmals die Lithiumbatterie eingeführt, die immer noch zu den beliebtesten gehört und praktisch überall eingesetzt wird. Die Probleme des ersten Prototyps waren hauptsächlich die Temperaturempfindlichkeit, ihre Deformation bei hohen Temperaturen, die geringe Leistung bei niedrigen Temperaturen und der frühe Abbau.

Die neue Generation von Lithiumbatterien hat einen Teil ihrer spezifischen Energie und Leistung zugunsten einer längeren Lebensdauer, des Umweltschutzes, einer verringerten Brandgefahr und einer höheren Ladegeschwindigkeit zugewendet. Dank dessen ist es möglich, sie in wenigen Minuten aufzuladen. Lithiumphosphat-Batterien halten mehr als 10 Jahre und mehr als 7.000 Ladezyklen.

Zwei Hauptvarianten werden derzeit für die Zukunft in Betracht gezogen. Die erste besteht darin, Lithiumbatterien zu behalten, doch Graphit für Silizium zu ersetzen. Dies würde die spezifische Energie und Energiedichte signifikant erhöhen. Das Problem liegt nur in der großen Änderung zwischen dem Volumen der geladenen und der entladenen Energie.

Die zweite Variante, die großes Interesse aufweckt, sind Festkörperbatterien, die keinen Elektrolyten verwenden, und daher wird die Trennung zwischen den einzelnen Teilen der Kathode und der Anode nie wieder ein Problem verursachen. Dies macht die Batterien sicherer, die auch eine viel längere Lebensdauer haben. Die geschätzte Zeit für die Einführung dieser Technologie beträgt bis zu fünf Jahre und die kommerzielle Produktion bis zu zehn Jahre.

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