Technische Grundlagen


In aktuellen Elektroautos werden Lithium-Ionen-Akkumulatoren verwendet, welche auch in Notebooks und Mobiltelefonen verbaut sind. Diese Technologie hat sich aufgrund ihrer hohen Energie- und Leistungsdichte gegenüber anderen Batterietypen durchgesetzt.

Aktuelle Batterietechnologien

Bei der im täglichen Sprachgebrauch bezeichneten „Batterie“ eines Elektroautos handelt es sich im eigentlichen Sinne um einen Akkumulator (kurz Akku), welcher einen wiederaufladbaren Energiespeicher darstellt. In der Praxis werden die Begriffe synonym verwendet. Als wesentlicher Bestandteil des E-Autos macht der Akku einen beträchtlichen Anteil des Gesamtfahrzeuggewichts aus. Er nimmt einen signifikanten Einfluss auf die - in der Öffentlichkeit vielfach kritisch diskutierte - Reichweite des Fahrzeuges. Die Energie- und Leistungsdichte des Akkus gelten daher als essentielle Kenngrößen. Größere Energie- und Leistungsdichten bedeuten demnach, dass die gleiche Reichweite bei einem geringeren Gesamtgewicht des Akkus erreicht werden kann.

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

Derzeit sind Batterien der größte Kostenfaktor bei der Produktion eines Elektroautos. Ein Gesamtbatteriepaket liegt bei etwa 200 Euro pro Kilowattstunde (kWh). Bei einer gängigen Akkugröße von 60 Kilowattstunden führt dies zu Mehrkosten von rund 12.000 Euro gegenüber einem Verbrennungsfahrzeug. Mit Blick auf die vergangenen Jahre hat hier bereits eine Entwicklung stattgefunden. Zwischen 2010 und 2016 ist ein Preisverfall von 80 Prozent der Akkus für E-Autos bei einer gleichzeitig steigenden Energiedichte zu verzeichnen. Tendenziell ist mit einem weiteren Preisverfall der Akkus zu rechnen, welcher Elektroautos attraktiver macht.

Preisentwicklung

Nutzungsdauer und Recycling von Akkus

Jeder Akku verliert im Laufe seiner Nutzungszeit unwiderruflich an Speicherfähigkeit. Dadurch beeinflusst sie im besonderen Maße die Lebensdauer des Fahrzeugs. Zum einen geht die nutzbare Kapazität des Akkus bzw. die Speicherfähigkeit der Batterie mit fortschreitender Zeit ganz von allein verloren (z.B. beim Parken des Autos), zum anderen verlieren die Batterien bedingt durch das Fahren und die Ladevorgänge immer mehr an Leistung. Die bedeutendste Rolle bei der Batteriealterung spielt 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.

Batterie mit niedriger Ladung
Audi e-Tron

Derzeit sollen Akkus für Elektroautos gemäß Herstellerangaben nach 8 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 und in stationärer Form als Energiespeicher für erneuerbare Energiequellen weiterleben. Als sog. „Second Life-Lösung“ werden hier bereits über 1.000 gebrauchte Fahrzeugbatterien zu einem Großspeicher umfunktioniert.

Aufgrund der frühen Marktphase von Elektroautos liegen heute kaum Erfahrungswerte vor, welche das Recycling von Lithium-Ionen-Akkus betreffen. Dennoch gibt es nach EU-Direktive 2006/66/EC strenge Vorschriften welche besagen, dass mindestens 50 Prozent des Batterieabfalls recycelt werden müssen. Hierbei liegt der Schwerpunkt auf der Wiedergewinnung der wertvollen Rohstoffe Kobalt und Nickel, weniger Beachtung erfährt der Rohstoff Lithium selbst. Seine Wiederverwertung wäre um den Faktor 5 teurer.

Batterie Recycling

Einfluss des Schnellladens auf Batterien

Durch das Schnellladen von Elektroautos sollen Akkus laut Hersteller nach nur einer halben Stunde auf bis zu 80 Prozent ihrer maximalen Speicherkapazität aufgeladen werden. Dennoch sollte die Schnellladung eher eine Ausnahme als eine gängige Ladeart sein, da bei ausschließlicher Schnellladung kein Spannungsausgleich zwischen den einzelnen Batteriezellen erfolgt. Hierbei werden die Zellen des Akkus unterschiedlich intensiv ge- und wieder entladen. Es kann zu Überhitzungen des Akkus und damit verbundenen Beschädigungen kommen, die die nutzbare Kapazität des Energiespeichers langfristig verringern wird. Sollte eine Minimierung der Batteriedegradation beim Schnellladen gelingen, so würde immer noch ein wirtschaftlicher Schaden durch Netzbelastungen entstehen. Letztendlich werden Fahrzeugakkus, Peripherie für Elektroautos, Ladestationen, Ladestromkosten, Kraftwerksparks und stationäre Speicher durch den Fokus auf das Schnellladen kostenintensiver.

Strom-Tankstellen-Kiel