Batterien

Das Herzstück der Elektromobilität: Die Batterie

Die Batterie eines Elektrofahrzeugs, die als Energiequelle für den Antrieb dient, wird als Traktionsbatterie bezeichnet. Sie ist das wichtigste und teuerste Bauteil des Elektrofahrzeugs. Eine Traktionsbatterie ist aus vielen miteinander verbundenen Batteriemodulen zusammengesetzt, die jeweils aus vielen Zellen bestehen.

Kommerziell verfügbare Batterien basieren auf der Lithium-Ionen-Technologie. Batterien dieses Typs besitzen eine hohe Energiedichte, eine hohe kalendarische Lebensdauer und gewährleisten eine Vielzahl von Ladezyklen. Moderne Lithium-Ionen-Batterien (LIB) in PKW haben heute eine durchschnittliche Kapazität von 15–30 kWh (bis zu Mittelklasse) und wiegen ca. 200–300 kg.

Für Lithium-Ionen-Zellen konzentrieren sich Hersteller auf drei Bauformen: zylindrische, prismatische und Pouch-Zellen. Die zylindrische Zelle ist die noch am weitesten verbreitete Form. Dieser Aufbau ist kostengünstiger, einfach zu fertigen, mechanisch sehr stabil und erreicht die größten Energiedichten im Vergleich zu anderen Formen.

Betriebstemperatur, Häufigkeit und Intensität des Ladens beeinflussen die Haltbarkeit der Batterie. Die Hersteller garantieren Laufleistungen zwischen 100.000 und 160.000 Kilometern und mehrere Tausend Lade- und Entladezyklen.

Für 100 km Fahrt benötigt man abhängig vom Fahrzeugtyp meist unter 20 kWh, das entspricht ungefähr dem Energiegehalt von 2 Litern Benzin. Dieser geringe Energieverbrauch ist möglich, weil der Elektroantrieb einen dreimal höheren Wirkungsgrad hat, als ein Verbrennungsantrieb.

Durch stetige Weiterentwicklung der bestehenden Lithium-Ionen-Batteriesysteme und neuer Batteriekonzepte (Post-Lithium-Ionen-Technologien) ist in den nächsten Jahren eine deutliche Steigerung der Energiedichte und dadurch eine Reichweitverlängerung sowie eine Gewichts- und Kostenreduktion zu erwarten.

Die Batterien in Elektrofahrzeugen entsprechen höchsten Sicherheitsstandards

Weltweit wird an Sicherheitsaspekten der Batterien geforscht. Dabei geht es um funktionale, chemische, elektrische und mechanische Sicherheit. Kurzschlüsse, Überladung, hohe Wärmeeinwirkungen sowie Kollisionsgefahr könnten die Batterie beschädigen. Da es sich um große Mengen der gespeicherten Energie und um brennbare bzw. leicht entzündliche Materialien handelt, müssen Zellen und Batterien gewisse Sicherheitsanforderungen erfüllen, bevor sie zum Einsatz kommen.

Mittlerweile haben Lithium-Ionen-Batterien durch Standards und Normen eine hohe Sicherheitsstufe erreicht. Ein intelligentes Batteriemanagementsystem (BMS) als eine wesentliche Komponente zur Sicherheit überwacht und reguliert Stromstärke, Spannung, Temperatur und Ladezustand auf Zell- und Systemebene. Crash- und Durchschlagtests mit Batteriesystemen gewährleisten zudem, dass Fahrer von Elektrofahrzeugen keinen höheren Risiken ausgesetzt sind, als Fahrer konventioneller Autos – aber natürlich braucht ein Servicetechniker eine besondere Hochvoltausbildung, um an einem Elektrofahrzeug Reparaturen durchführen zu können.


Materialien Batterie

Die Wirtschaftlichkeit, Lebensdauer, Reichweite und Sicherheit der Lithium-Ionen Batterie sind wichtige Faktoren für Elektromobilität. Es sind noch Fortschritte nötig, um die Elektromobilität am Markt durchzusetzen. 

Eine hohe Energiedichte erlaubt lange Reichweiten, eine hohe Leistungsdichte dagegen eine schnelle Leistungsabgabe. Derzeit sind keine Batterien verfügbar, die beiden Eigenschaften in gleich hohem Maße aufweisen. Für diese Batterie-Eigenschaften sind Materialien und Zellkomponenten zuständig wie Kathoden, Anoden, Elektrolyte, Additive, Separatoren, Binder...

Die gegenwärtig verfügbaren Materialien der Batterie-Generation I und II mit erreichbaren Energiedichten und der damit verbundenen Reichweitbegrenzung erschweren eine massive Kommerzialisierung von Elektrofahrzeugen. Dabei handelt es sich um Traktionsbatteriezellen mit Kathoden, die überwiegend auf Lithium-Eisenphosphat (LFP), Lithium-Manganoxid (LMO), Lithium-Nickel -Cobalt-Aluminiumoxid (NCA) oder Lithium-Nickel-Cobalt-Manganoxid (NCM) sowie Anoden aus natürlichem Grafit oder amorphem Kohlenstoff basieren. Durch den Ausbau der Generation II und durch die Verwendung der auf kohlenstoff-silizium basierten Anoden ist ein weiterer Fortschritt mit der Einführung der Generation III zu erwarten.

Nahaufnahme Batterien.
© MEET/WWU Münster

Die Weiterentwicklung von Lithium-Ionen-Batterien führt zu Lithium-Hochvolt-Batterien. Hochvoltkathoden für eine Spannung von 5 V und für den Einsatz bei höheren Betriebstemperaturen sind ein erster Schritt zur Realisierung höherer Energiedichten. Dabei stellt die Entwicklung geeigneter, stabiler Elektrolyte und Separatoren die große Herausforderung dar.

 

 

 

Neue Aktivmaterialien und Materialkombinationen haben weiteres Verbesserungspotenzial in Hinblick auf Energie, Leistung und Sicherheit. Die Weiterentwicklung der Traktionsbatteriezellen der Generation IV und V (Lithium-Luft-, Lithium-Schwefel-, Metall-Luft-Batterien, Lithium-Feststoffbatterien) bietet langfristig die Chance der Vervielfachung der Energiedichte und damit der Reichweite von Elektrofahrzeugen. 

Lebensdauer und Recycling

Die Lebensdauer einer Lithium-Ionen-Batterie ist ein wichtiges Kriterium beim Kauf eines Elektrofahrzeugs. Das Ende der Lebensdauer einer Traktionsbatterie wird definiert als der Zeitpunkt an dem die Leistungsfähigkeit der Batterie auf ca. 80 % der ursprünglich vorhandenen Kapazität reduziert ist. Man unterscheidet zwischen Zyklenfestigkeit und kalendarischer Lebensdauer, deren Kombination im Alltag die Gesamtlebenszeit der Batterie bestimmen.  Durch die „Alterung“ (Lagerzustand) der Batterie ohne Zyklisierungsvorgänge wird die kalendarische Lebensdauer definiert. Betriebstemperatur, Häufigkeit und Intensität des Ladens beeinflussen die Haltbarkeit der Batterie. Die Hersteller garantieren aktuell Laufleistungen zwischen 100.000 und 160.000 Kilometern und mehrere Tausend Lade- und Entladezyklen bzw. eine Lebensdauer von 10 Jahren.

Unternehmen haben sich auf das Recycling spezialisiert

Mehrere Unternehmen entwicklen Recyclingverfahren für Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge. Neue Recyclingverfahren werden entwickelt oder bestehende Prozesse auf das Recycling der Traktionsbatterien angepasst. Eine frühzeitige Entwicklung effektiver Recyclingverfahren mit hohem Rückgewinnungsanteil sowie der Einsatz von recyclingfähigen Materialen in der Batterie sind von strategischer Bedeutung für die Wettbewerbsfähigkeit der Elektrofahrzeugindustrie.

Ein "zweites Leben" für die Batterie

Neben dem komplexen Recycling erwartet viele „gealterte“ Lithium-Ionen-Batterien ein sogenanntes „Second-Life“. Die Zweitverwendung von Hochvoltbatterien in stationären Stromspeichern ist ein wichtiger Aspekt nachhaltiger Ressourcennutzung. An weiteren Verwendungsmöglichkeiten wird geforscht.

Kosten der Batterie

Die Batterie ist mit bis zu 40 % Wertschöpfungsanteil eine der wichtigsten Komponenten des Elektrofahrzeugs. 60–80 % der Wertschöpfung am Batteriesystem wird durch die Zellen bestimmt.

Die Preise von Traktionsbatterien sinken deutlich schneller, als noch vor einigen Jahren erwartet.

Die durchschnittlichen  Anschaffungskosten eines Batteriesystems liegen aktuell bei ca. 300 €/kWh" (Quelle: Studie vom Magazin Nature Climate Change).

Prognosen gehen jedoch davon aus, dass diese Kosten in den nächsten 5 – 10 Jahren unter 120 €/kWh fallen. Die erste Generation Batterien kostete noch beinahe das Fünffache!

Gegenwärtig wird der Markt für Lithium-Ionen-Zellen im Transportsektor von den asiatischen Herstellern LG Chem, Panasonic und Samsung bestimmt. AESC (Japan), BYD (China), Johnson Controls (USA), A123 (USA) und Tesla (USA) drängen in den Markt. Der Anteil europäischer Hersteller ist dagegen gering.