Der Antriebsakku im Elektroauto

Der Antriebsakku im Elektroauto

2. Januar 2017 Aus Von N. Hagedorn
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Das wohl wichtigste und auch am meisten kritisierte Bauteil im Elektroauto ist – sieht man einmal vom Motor ab – die Antriebsbatterie. Im eigentlichen Sinne ist die Antriebsbatterie aber keine Batterie, sondern aufgrund ihrer Ladbarkeit im physikalischen Sinne ein Akku. In Elektroautos werden mehrere dieser Akkus zu einer Traktionsbatterie zusammengeschaltet. Diese besitzt im Vergleich zu herkömmlichen Batterien eine höhere Kapazität, welche durch viele hintereinandergeschaltete Batteriezellen erreicht wird.
Die meisten heutigen Elektrofahrzeuge verwenden Lithium-IonenAkkus: Sie bieten viele Vorteile wie eine hohe spezifische Energie oder geringe Memory-Effekte. Ein Nachteil der Lithium-Ionen-Akkus ist allerdings ihr Herstellungsprozess: Hierfür wird Lithiumkarbonat benötigt. Die größten Vorkommen des Rohstoffes liegen in den Salzsee-Regionen der Länder Bolivien, Argentinien und Chile – dem sogenannten Lithium-Dreieck. Um das Lithiumkarbonat aus den Salzseen zu gewinnen, wird das Wasser verdunstet, sodass eine Lösung mit hohem Lithium-Gehalt zurückbleibt. Diese Lösung wird unter Zugabe von Soda in Lithiumkarbonat umgewandelt.
Nachdem die Lebensdauer des Lithium-Ionen-Akkus vorüber ist, wird er entweder an anderer Stelle außerhalb des Autos weiterverwendet – beispielsweise als Speicher für die heimische Solaranlage oder er wird recycelt. Recyclingverfahren für Akkus von Elektrofahrzeugen müssen allerdings erst noch entwickelt werden. Soll die Elektromobilität voranschreiten, ist ein Recyclingkonzept also von höchster Wichtigkeit.

Übersicht: Hersteller von Batterien für Elektroautos. Copyright: green car magazine

Übersicht: Hersteller von Batterien für Elektroautos. Copyright: green car magazine

Neben Lithium-Ionen-Akkus werden zurzeit auch Nickel-Metallhydrid-Akkus genutzt. Die wichtigsten Informationen und technischen Daten haben wir im Folgenden zusammengefasst:

Lithium-Ionen-Akkus

Wie alle Batterien besitzt auch eine Lithium-Ionen-Zelle eine Kathode (Minuspol) und eine Anode (Pluspol). Die Kathode dieser Batterie besteht aus einer Grafit-Elektrode und die Anode aus einer LithiumMetalloxid-Elektrode, zum Beispiel aus Mangan oder Nickel. Lithium ist ein leichtes Metall, welches eine heftige Reaktion mit Wasser zeigt. Ein notwendiger Bestandteil jeder Batterie ist das sogenannte Elektrolyt, welches einen Transport von elektrischer Ladung zwischen den Elektroden überhaupt erst möglich macht. In der Lithium-Ionen-Batterie kommt ein wasserfreies, aber brennbares Lösungsmittel als Elektrolyt zum Einsatz. Um einen Kurzschluss zwischen den Elektroden zu verhindern, werden sie durch einen Separator voneinander getrennt, welcher aber wiederum für die Lithium-Ionen durchlässig ist. Lithium-Ionen Akkus können in der Regel bis zu 2.000-mal aufgeladen werden.
Der Lithium-Polymer-Akku (LiPo) ist eine Unterart des Lithium-Ionen-Akkus. Der wesentliche Unterschied zum Lithium-Ionen-Akku besteht in der Zusammensetzung des Elektrolyts. Das Elektrolyt des LiPo-Akkus besteht aus einer festen bis gelartigen Folie auf Polymerbasis. Diese Eigenschaft bietet auch den Vorteil, dass der Akku nicht zwingend ein festes Gehäuse benötigt und so in vielen verschiedenen Formen produziert werden kann. LiPo-Akkus werden hauptsächlich in kleinen mobilen Geräten wie Smartphones oder auch im Modellbau eingesetzt.

Nickel-MetallhydridAkkumulator

Beim Nickel-Metallhydrid-Akku (NiMH) besteht die Anode aus dem namensgebenden Metallhydrid in Pulverform und die Kathode aus einem Nickeloxidhydratblech. Auch in diesem Akku übernimmt ein Elektrolyt zwischen den beiden Elektroden die Separatorfunktion und gleichzeitig fungiert er als Ionenleiter.
NiMH-Akkus haben eine Nennspannung von 1,2 V, sie sind tiefenentladefähig und haben im entladenen Zustand eine hohe Lebensdauer. Die hohe Selbstentladung macht den NiMH-Akku aber nur wenig attraktiv für die Hersteller von Hybrid- oder Elektroautos. Ein Hersteller, welcher NiMH-Akkus für seine Hybridmodelle benutzt, ist Toyota, andere Hersteller setzen dagegen bevorzugt auf LithiumIonen-Akkus.
Allgemein gilt für die Akkus von Elektroautos: Ein Akku gilt als verschlissen, wenn er weniger als 80  Prozent seiner Nennkapazität besitzt. Der Akku hat für das Elektrofahrzeug ausgedient, kann aber an anderer Stelle weiterbenutzt werden, beispielsweise als Puffer- oder Zwischenspeicher für Fotovoltaikanlagen. Wie lange die Akkus von Elektrofahrzeugen in der Praxis halten, wird wohl erst in den nächsten Jahren deutlich. Nissan bietet mittlerweile für das neue Modell des Leaf eine Garantie von 8 Jahren auf die 30-kWh-Batterie.
Die wichtigste Kenngröße der Akkus bzw. Batterien von Elektrofahrzeugen ist die Reichweite. Diese wird durch die Ladekapazität der Akkus bestimmt. Während übliche Elektrofahrzeuge im Durchschnitt eine Reichweite von etwa 200 Kilometern besitzen, schafft es der Fahrzeughersteller Tesla mit seinem Model S, eine Reichweite von 560 Kilometer zu erzielen – diese Reichweite schlägt sich dann allerdings auch im Preis nieder.
Tesla nutzt für die höhere Reichweite ein relativ simples System: Mehrere Lithium-Ionen-Zellen werden hintereinandergeschaltet. Die Energiedichte der Rundzellen, die Tesla in seinen Fahrzeugen einsetzt, liegt
bei 50 Prozent über den üblichen in der Automobilindustrie verwendeten Zellen. Um diese hohe Reichweite zu erzielen, müssen allerdings auch Nachteile wie eine geringere Lebensdauer in Kauf genommen werden – ob das die Lebensdauer der Tesla-Batterien beeinflusst, kann wohl erst in den kommenden Jahren beobachtet werden.

Wird die Zukunft in Österreich eingeläutet?

Die österreichische Firma Kreisel Electrics bietet mit ihren selbst entwickelten Akkus eine echte Konkurrenz zu den herkömmlichen. Die Akkus von Kreisel Electrics werden aus Panasonic-Rundzellen hergestellt, so wie beispielsweise in Tesla Fahrzeugen. Doch die Zellen sind anders als bei Tesla nicht geschweißt, sondern per Laser miteinander verknüpft und können so als Batteriepakete kleiner und leichter gebaut werden – doch in der Praxis konnten die Batterien der Firma noch wenig getestet werden.
Ein mit Kreisel-Batterien umgerüsteter VW eGolf konnte allerdings beim Praxistest eine Reichweite von 430 Kilometern erzielen – die Reichweitenangabe vom Werk betrug bei dem getesteten Modell von VW dagegen „nur“ 190 Kilometer. Bleibt abzuwarten, ob und wie die Automobilhersteller diese neue Batterietechnologie annehmen werden.

 

green car magazine 01/2017

Titelbild: Copyright Patrick P. Palej @ fotolia.com

 

N. Hagedorn
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