Batterien

Das Herzstück der Elektromobilität: Die Batterie

Die Batterie eines Elektrofahrzeugs, die als Energiequelle für den Antrieb dient, wird als Traktionsbatterie bezeichnet. Der Anteil der Batterie am Fahrzeugpreis beträgt bis zu 40%. Eine Traktionsbatterie ist aus miteinander verbundenen Batteriemodulen zusammengesetzt, die ihrerseits aus Zellen bestehen.

Kommerziell verfügbare Batterien basieren auf der Lithium-Ionen-Technologie. Sie besitzen eine hohe Energiedichte, eine hohe Lebensdauer und gewährleisten eine Vielzahl von Ladezyklen. Moderne Lithium-Ionen-Batterien (LIB) im PKW haben heute eine durchschnittliche Kapazität von 20-50 Kilowattstunden (bis zu Mittelklasse) und wiegen ca. 200 bis 500 Kilogramm.

Für eine 100-Kilometer-Fahrt sind - abhängig vom Fahrzeugtyp - meist unter 20 kWh nötig. Das entspricht ungefähr dem Energiegehalt von nur zwei Litern Benzin. Grund dafür ist der dreimal höhere Wirkungsgrad des Elektromotors im Vergleich zum Verbrennungsantrieb.

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.

Durch stetige Weiterentwicklung der bestehenden Lithium-Ionen-Batteriesysteme und neue 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.

Mittlerweile haben Lithium-Ionen-Batterien durch Standards und Normen eine hohe Sicherheitsstufe erreicht. Ein intelligentes Batteriemanagementsystem (BMS) 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.

Aufbau einer Lithium-Ionen-Zelle

Jede Lithium-Ionen-Zelle besteht aus einer positiven und einer negativen Elektrode  (Kathode bzw. Anode), die durch einen mit einem Elektrolyten getränkten Separator räumlich getrennt sind, um Kurzschlüsse zu vermeiden. Daher sind die Anforderungen an diese Komponente hoch. Üblicherweise werden Polymerseparatoren oder  keramisch beschichtete Polymerseparatoren in LIBs eingesetzt.

Ein zentraler Bestandteil der Lithium-Ionen-Zelle ist der Elektrolyte, welcher aus dem Lösungsmittel, dem Leitsatz und der Additive zusammengesetzt ist. In der Batterieforschung existieren drei Arten der Elektrolyte: flüssig, polymer und fest. Die Elektroden setzen sich jeweils aus vier  Kompetenten, dem Stromableiter, dem Aktivmaterial, dem Leitkohlenstoff und dem Binderzusammen.Währende des Lade- und Entladeprozesse der Zellen findet durch den Elektrolyten ein reversibler Li-Ionen Transfer zwischen den Elektroden statt.

Für Lithium-Ionen-Zellen konzentrieren sich Hersteller auf drei Bauformen: zylindrische, prismatische und Pouch-Zellen – auch Pouchbag- oder Coffeebag-Zellen genannt. Die zylindrische Zelle ist die noch am weitesten verbreitete Form. Trotz schlechtem Wärmeabfuhr und  des Packaging ist dieser Aufbau kostengünstiger, einfach zu fertigen, mechanisch sehr stabil und erreicht die größten Energiedichten im Vergleich zu anderen Formen. 

© MEET/WWU Münster  

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 beide Eigenschaften in gleich hohem Maße aufweisen. 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. Je nach Zellchemie können die Energiedichten von Li-Ionen Batterien zwischen 90 und 250 Wh/kg erreicht werden. 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 Elektrolyten 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 ihre Leistungsfähigkeit auf ca. 80 Prozent der ursprünglich vorhandenen Kapazität reduziert ist. Man unterscheidet zwischen Zyklenfestigkeit und kalendarischer Lebensdauer, deren Kombination im Alltag die Gesamtlebenszeit der Batterie bestimmt. Durch die „Alterung“ (Lagerzustand) der Batterie ohne Zyklisierungsvorgänge wird die kalendarische Lebensdauer definiert. Betriebstemperatur, Häufigkeit und Intensität des Ladens beeinflussen die Haltbarkeit der Batterie.

Unternehmen haben sich auf das Recycling spezialisiert

Mehrere Unternehmen entwickeln Recyclingverfahren für Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge. Bestehende Prozesse werden zudem auf das Recycling der Traktionsbatterien angepasst.

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.

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Feststoffbatterie

Der Markt der Elektromobilität wird gegenwärtig von Lithium-Ionen-Batterien (LIB) dominiert. Die aktuelle Technologieentwicklung der Batterie zeigt den Trend hin zu Feststoffbatterien (auch Festkörperbatterie oder Solid-State-Batterie genannt) mit Li-Metallanode und Hochenergiekathode. Die Forschungsarbeiten an Feststoffbatterien laufen längst weltweit und die Technologie wird heutzutage allgemeinhin als Zukunftstechnologie bezeichnet. Im Vergleich zu herkömmlichen LIB bewegen sich die Ladungen zwischen Anode und Kathode bei Feststoffbatterien nicht durch eine Flüssigkeit, sondern durch ein festes Material wie Polymer, Keramik, Glas oder durch Hybrid.

Was sind Alleinstellungsmerkmale der Feststoffbatterie?

Aufgrund des festen Elektrolyts bieten sie mehr Sicherheit und bessere Energiedichten gegenüber der flüssigen Elektrolyte. Feststoff-Elektrolyte mit Dicken von wenigen Mikrometern dienen in Feststoffbatterie als Leitmedium für Li-Ionen zwischen positiven und einer negativen Elektroden. Dadurch sind die Feststoff-Akkus leicht zu miniaturisieren und der Auslaufgefahr des Elektrolyten beim Akku-Schaden besteht nicht. Sie haben in der Regel eine sehr lange Lebensdauer und eine gute Lagerfähigkeit. Als weiterer Vorteil ist die fehlende Entflammbarkeit, was den Verzicht auf die sonst zusätzliche Sicherheitsvorrichtung der Akkus bedeutet.

Als Nachteil der Feststoffbatterie wird die geringere spezifische Leitfähigkeit der Li-Ionen durch die Grenzflächen und die daraus niedrige Leistungsdichte definiert. Der hohe Widerstand zwischen Elektrode und Festkörperelektrolyt verhindert das Fließen hoher Ströme, was sich negativ auf die mögliche Leistung auswirkt.

Nach Expertenschätzungen sind bis zur Marktreife der Feststoffbatterie-Technologie noch einige Forschungsarbeiten zu leisten, bis der „Zukunfts-Akku“ Realität wird.

© MEET/WWU Münster
© MEET/WWU Münster  

Batterie-Forschung

Einen Überblick über öffentlich geförderte Projekte in Deutschland mit Fokus auf elektrochemische Energiespeicher (Batterien) finden Sie in der Projektdatenbank des Batterieforums Deutschland. Diese wurde im Rahmen des vom BMBF geförderten Projektes Batterieforum Deutschland vom KLiB e. V. aufgebaut und im Rahmen des BMBF-Projektes BEMA 2020 weitergeführt.

Auf den Seiten des Batterieforums Deutschland erhalten Sie zahlreiche weitere Informationen rund um Forschungsprojekte zum Thema Batterie.

Hier gelangen Sie direkt zur Projektdatenbank.


Kosten der Batterie

60 bis 80% der Wertschöpfung am Batteriesystem wird durch die Zellen bestimmt. Die Preise von Traktionsbatterien sinken deutlich schneller, als noch vor einigen Jahren erwartet. Heutzutage sind LIBs für rund 300€ pro Kilowattstunde erhältlich. Prognosen gehen jedoch davon aus, dass die Kosten in den nächsten fünf bis zehn Jahren unter 120€ pro Kilowattstunde fallen. Die erste Generation der Batterien kostete noch beinahe das Fünffache! Die Marktchancen sind also vielversprechend.

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, A123 (USA) drängen in den Markt. Der Anteil europäischer Hersteller ist dagegen gering. Die folgende Graphik gibt einen Überblick über die führenden Batteriehersteller.

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