Elektroauto: Die Kraft kommt aus der Zelle
Author: Joachim Geiger
Die Reichweite ist der heilige Gral der Elektromobilität. Sie entscheidet, ob ein Elektroauto als vollwertiges Fahrzeug wahrgenommen wird. Im Wettbewerb um die beste Energiequelle hat derzeit die Lithium-Ionen-Batterie die besten Karten. Für diesen Akku-Typ spricht, dass er ein gutes Verhältnis zwischen Gewicht und Reichweite aufweist.
Dass der Erfolg eines Elektroautos von der Reichweite abhängt, ist ein Gründungsmythos der Elektromobilität. Der legendäre Lohner-Porsche etwa hätte damals durchaus das Zeug dazu gehabt, die Zukunft des Automobils zu prägen. Auf der Pariser Weltausstellung 1900 vorgestellt, hatte das Wägelchen mit Frontantrieb und Radnabenmotoren einen 410 Kilogramm schweren Bleiakkumulator an Bord, der eine stattliche Reichweite von 50 Kilometern ermöglichte. Wie die Geschichte ausging, ist bekannt. Der Verbrenner hat diesem Fahrzeugkonzept schnell und nachhaltig den Garaus gemacht. Mehr Reichweite, preiswerter in Anschaffung und Betrieb, billiger Kraftstoff – dagegen hatte das E-Auto keine Chance. Heute steht das Elektroauto erneut am Anfang einer Ära. Und wieder steht das Thema Reichweite im Fokus. Dieses Mal könnte der Stromer jedoch das bessere Ende für sich haben. Die Batterietechnologie macht riesige Fortschritte und schiebt die Grenzen von Kapazität und Reichweite immer weiter hinaus. Zeit also für eine Bestandsaufnahme.
Was spricht für den Lithium-Ionen-Akku als Energiequelle fürs E-Auto?
„Die Reichweite eines Elektroautos hängt nicht nur von Größe, sondern auch von der Energiedichte des Akkus ab“, erklärt der Andreas Richter, Ingenieur im DEKRA Kompetenzzentrum Elektromobilität. Die Einheit für die Energiedichte ist Kilowattstunden pro Kilogramm (kWh/kg) – sie beschreibt, wie viel Energie sich pro Kilogramm Batteriegewicht im Akku speichern lässt. Typische Werte von Lithium-Akkus liegen zwischen 0,1 und 0,3 kWh/kg. Für den Li-Io-Akku spricht, dass er ein gutes Verhältnis zwischen Gewicht und Reichweite aufweist. Im Vergleich zur Blei-Säure-Batterie bringt er bei gleicher Energiemenge nur ein Drittel des Gewichts auf die Waage.
Was macht Lithium-Ionen-Akkus zu leistungsstarken Chemiefabriken?
Die kleinste Einheit des Akkus ist eine Zelle – auf dieser Ebene finden alle elektrochemischen Vorgänge statt. Einzelne Zellen werden zu Akkupacks und diese zu Modulen zusammengeschaltet. Der typische Aufbau einer Zelle besteht aus zwei Elektroden – einer Anode und einer Kathode. Die pulverförmigen Aktivmaterialien für die Elektroden sind in der Regel Graphit (Kohlenstoff) am Minuspol und eine Kombination von Nickel, Kobalt, Mangan und Lithium am Pluspol. Mit Flüssigkeit und Bindemittel zu einer dicken Paste verarbeitet, werden die chemisch aktiven Substanzen auf dünne Metallfolien aus Aluminium (Kathode) und Kupfer (Anode) aufgebracht, die als Stromleiter dienen.
Komplettiert wird der Aufbau durch eine für Lithium-Ionen durchlässige Separatorschicht und einen flüssigen Elektrolyten. Beim Laden wandern die Lithium-Elektronen über einen externen Stromkreis von der Kathode zur Anode. Gleichzeitig bewegen sich die durch die fehlenden Elektronen positiv geladenen Lithium-Ionen durch Elektrolyt und Separator zur Anode. Dort suchen sie sich gemeinsam mit den Elektronen einen Platz im Graphit, das als reiner Speicher dient. Beim Entladen nehmen die Teilchen den umgekehrten Weg. Dabei geben die Elektronen auf dem Weg zurück zur Kathode ihre Energie an den Motor ab. Je mehr Lithium auf der Kathode Platz findet, desto speicherfähiger ist die einzelne Zelle – die Energiedichte fällt höher aus.
Welche Rolle spielt das Batteriemanagementsystem (BMS) für den Akku?
„Das BMS ist ein Teil der Steuerung der Leistungselektronik und dafür zuständig, stets für optimale Arbeitsbedingungen des Akkus zu sorgen“, weiß DEKRA Experte Richter. Es stellt sicher, dass alle Zellen die gleiche Spannung aufweisen und die erforderliche Leistung bringen. Beim Laden übernimmt das BMS zur Optimierung des Ladestroms die Kommunikation mit Ladesäule oder Wallbox. Eine besondere Aufgabe ist das Thermomanagement. Zur Vermeidung von Schäden im Akku kann das System die Ladegeschwindigkeit oder die Leistungsabgabe im Fahrbetrieb reduzieren. Bei niedrigen oder hohen Außentemperaturen schaltet es Heizung oder Kühlung zu.
Brutto oder netto? Warum Angaben zur Kapazität nicht immer eindeutig sind.
Die Kapazität gibt an, wie viel Energie der Akku dem Elektromotor zur Verfügung stellen kann. Je höher die Kapazität, desto größer ist die Reichweite eines E-Autos. Angegeben wird die Kapazität in der Einheit Kilowattstunden (kWh). Die Kapazität nimmt jedoch im Lauf des Akkulebens langsam ab. Volkswagen zum Beispiel gibt einem neuen E-Auto die Garantie mit auf den Weg, dass der Akku bei korrektem Gebrauch nach acht Jahren oder 160.000 Kilometern immer noch eine nutzbare Kapazität von mindestens 70 Prozent aufweist. Wie aber kann ein Hersteller sicherstellen, dass seine Akkus die versprochene Lebensdauer tatsächlich erreichen? Der Kniff liegt in diesem Fall im Wörtchen „nutzbar“.
Wie DEKRA Experte Andreas Richter erklärt, legen die Hersteller für ihre Akkus stets eine Sicherheitsreserve fest, die schädliche Überladungen und Tiefentladungen verhindern soll. Das Mittel zum Zweck ist die Kontrolle der Spannung in den Batteriezellen, die ab Werk meistens zwischen 3 und 4,2 Volt beträgt. Die Hersteller legen jetzt selbst die höchste Spannung bei vollem Akku (Ladeschlussspannung) sowie die niedrigste bei leerem Akku (Entladeschlussspannung) fest. Das Batteriemanagement verhindert, dass diese fixen Werte über- oder unterschritten werden. Eine vollgeladene Batterie ist daher nie ganz voll, eine leere nie ganz leer. In der Folge steht dem Nutzer aber nur eine eingeschränkte Energiemenge zur Verfügung – die nutzbare Kapazität. VW gibt hier die nutzbare Energiemenge von 90 Prozent an. Wie groß die nutzbare Kapazität bei verschiedenen Elektroautos ausfällt, erschließt sich allerdings nur dann, wenn ein Hersteller im technischen Datenblatt eindeutig auf die Netto-Kapazität des Akkus verweist.
Wie zuverlässig sind Angaben der Hersteller zu Reichweite und Verbrauch?
„Wenn die Daten nach dem aktuellen WLTP-Verfahren zur Typzulassung ermittelt wurden, sind sie deutlich näher an der Realität dran als beim früheren Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFZ)“, erklärt Erik Pellmann, Leiter Antriebsstrang und Abgas im DEKRA Technology Center in Klettwitz. Beim „Worldwide Harmonized Light-Duty Vehicles Test Procedure“, kurz: WLTP startet das Prüffahrzeug mit randvoll geladener Batterie. In der Regel durchläuft es das Prüfprogramm so oft, bis der nutzbare Teil des Akkus nahezu vollständig entladen ist. Die gefahrene Strecke entspricht der Reichweite. Da der WLTP ein dynamisches Fahrprofil mit Beschleunigungen und Verzögerungen enthält, kommt es automatisch zu Phasen der Rekuperation. Das erreichte Plus an Reichweite ist im ermittelten Ergebnis enthalten. Den Verbrauch wiederum ermitteln die DEKRA Experten, indem sie die benötigte Nachlade-Energie mit Hilfe eines Stromzählers dokumentieren. Das hat den Vorteil, dass dabei auch die beim Laden entstehenden Energieverluste der Batterie erfasst werden. Der Energieverbrauch pro 100 Kilometer ist anschließend nur noch eine Rechenaufgabe. In der Praxis allerdings können sich die ermittelten Werte nach oben oder unten hin verändern. Hohe oder tiefe Temperaturen können zum Beispiel zu erheblichen Abweichungen von den WLTP-Werten führen, die standardmäßig bei 23 Grad Celsius ermittelt werden. Darüber hinaus spielen Fahrstil, Fahrprofil und Beladung, der Einsatz von Stromverbrauchern wie Klimaanlage und Heizung, aber auch der Zustand des Akkus selbst eine Rolle für den Verbrauch.
Großer oder kleiner Akku – ist weniger am Ende mehr?
Eine kleinere Batterie punktet in der Ökobilanz mit Einsparungen bei Rohstoffen, Gewicht und Verbrauch. Logisch aber auch, dass eine geringere Speicherkapazität weniger Reichweite bedeutet. Wie klein darf also ein Akku sein, damit sich das Auto ohne gravierende Einschränkungen nutzen lässt? Reichen 150 oder 200 Kilometer Reichweite aus? Wer zuhause, im Büro oder an der öffentlichen Ladesäule jederzeit Strom zapfen kann, dürfte damit auf der sicheren Seite sein. Andererseits kann die Performance eines Akkus in der kalten Jahreszeit leiden – bei kleineren Modellen können Minusgrade die Reichweite deutlich einschränken. Auch sehr häufiges Laden kann einem kleinen Akku an die Substanz gehen. Dazu kommt, dass in Zukunft ein E-Auto mit kleinem Energiespeicher beim Wiederverkauf wohl weniger Geld einbringen würde. Wer dagegen Wert auf Flexibilität und Langstreckentauglichkeit legt, kommt an einer größeren Antriebsbatterie kaum vorbei. In diesem Fall könnten wirtschaftliche und ökologische Erwägungen darüber entscheiden, wie hoch deren Kapazität am Ende sein muss. Große Akkus punkten an der Stromtankstelle mit hohen Ladeleistungen, was viel Standzeit an der Schnellladesäule einspart. Und weil eine große Batterie im Vergleich zu einem kleineren Modell bei gleicher Laufleistung weniger oft geladen werden muss, verlängert sich dadurch auch ihre Lebensdauer.
Laden und Entladen – warum kann das den Akku belasten?
Ein Akku bringt für lange Zeit Spitzenleistungen. Aber auch ein Supersportler kommt irgendwann in die Jahre – die Leistungskurve kann dann rapide nach unten gehen. „Eine maßgebliche Größe für diesen Prozess sind wiederkehrende hohe Stromstärken beim Laden und Entladen“, berichtet Andreas Richter. Wie der DEKRA Experte erklärt, bedeuten große Ströme eine Erwärmung im Inneren der Zelle, die mit der Zeit den Innenwiderstand erhöhen kann. Ein hoher Innenwiderstand kann den Elektronenfluss empfindlich stören. Dazu kommt das Phänomen, dass sich bei hohen Strömen die Struktur des Kathodenmaterials ändern kann, was ebenfalls die Kapazität ungünstig beeinflusst.
Hohe Ladeströme sind zum Beispiel beim Laden an der Schnellladesäule im Spiel – hier geht es im Prinzip darum, so viel Strom wie möglich in kurzer Zeit in die Batterie zu laden. Das ist normalerweise kein Problem, weil das Batteriemanagementsystem regulierend eingreift. Trotzdem bedeuten regelmäßige Schnellladungen Stress für den Akku. Das gilt auch, wenn man den Energiespeicher stets bis zur maximalen Kapazität lädt oder sehr oft tief entlädt. Eine weitere Einflussgröße ist der Fahrstil. Wer das E-Auto wie einen Rennwagen bewegt und selbst bei abnehmendem Ladestand noch Höchstleistungen abruft, tut dem Akku damit keinen Gefallen. Hält man dagegen den Ladestand häufiger zwischen 20 80 Prozent, kann das die Lebensdauer verlängern. Steht eine Langstreckenfahrt an, bietet es sich natürlich an, den Akku vorher auf 100 Prozent vollzuladen.
Wie steht es mit den Kosten der Akkus und warum gelten sie als problematisch?
Die Antriebsbatterien gehören zu den teuersten Bauteilen im Elektroauto. Große Kostenblöcke sind die Beschaffung der Rohstoffe sowie die Bereitstellung der Energie für die Herstellung der Batteriezellen – je nach Autohersteller und Modell kann der Anteil an den gesamten Fahrzeugkosten zwischen 25 und 40 Prozent ausmachen. Eine aktuelle „Powertrain“-Studie unter dem Dach der Unternehmensberatung PricewaterhouseCoopers geht davon aus, dass sich bis 2030 die Kosten für Akkus von derzeit 90 auf 68 Euro pro Kilowattstunde reduzieren lassen. Eine Stellschraube für preiswertere Batterien könnte der Einsatz kobaltarmer Materialien sein. Tatsächlich geht die Herstellung der Akkus derzeit mit teilweise problematischen Bedingungen einher. Dazu gehören Umweltbelastungen und prekäre Arbeitsbedingungen beim Abbau von Lithium und Kobalt in Ländern wie Chile, Argentinien und der Demokratischen Republik Kongo. Abhilfe schaffen könnten der Einsatz alternativer Materialien und eine nachhaltige Rohstoffversorgung. Eine Produktion mit regenerativem Strom könnte zudem die vor allem bei der Hitzetrocknung der beschichteten Metallfolien entstehende CO2-Belastung verkleinern. Einen Beitrag zu mehr Nachhaltigkeit dürften künftig auch der Einsatz gebrauchter Batterien in stationären Energiespeichern und das Recycling leisten.
Welches Entwicklungspotenzial haben Li-Io-Akkus?
Mit den Feststoffbatterien zeichnet sich bereits die nächste Evolutionsstufe ab. Hersteller wie VW und BMW forschen bereits mit Hochdruck an dieser Technologie. Sie soll eine doppelt so hohe Energiedichte wie herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus und deutlich niedrigere Ladezeiten ermöglichen. Wie das Wort andeutet, trennen hier feste – statt wie bisher flüssige – Elektrolyten den Plus- und Minuspol voneinander. Der feste Elektrolyt fungiert in diesem Konzept als Hilfsmittel, um das Graphit auf der Minuspolseite durch reines Lithium zu ersetzen. Ein Quantensprung in der Lithium-Ionen-Technologie könnte auch das gemeinsam vom Fraunhofer-Institut und der niederländischen Forschungseinrichtung The Netherlands Organisation (TNO) entwickelte Verfahren werden, das bei der Herstellung der Zellen mit einer Nanobeschichtung arbeitet. Die SALD-Technologie (Spatial Atom Layer Deposition) soll die Akkufläche der bisherigen Systeme um den Faktor drei vergrößern – unterm Strich soll das Reichweiten von über 1.000 Kilometern und eine fünffache Ladegeschwindigkeit möglich machen. Wie es heißt, soll SALD mit Flüssigelektrolyten ebenso wie mit Feststoffbatterien funktionieren. Mit einer Kathode auf Basis von Lithium-Eisenphosphat arbeiten Wissenschaftler der Technischen Hochschule Chalmers in Göteborg bei der Entwicklung einer so genannten Strukturbatterie, die als Teil der tragenden Struktur eines E-Autos verbaut wird. Zum Einsatz kommen hier Kohlenstofffasern, die gleichzeitig als Elektrode, Leiter und tragendes Material dienen.