Das muss man über E-Auto-Batterien wissen
Der Akku, der Energiespender eines Elektroautos
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Der Akku bestimmt die Reichweite eines Elektroautos. Wie lange halten E-Auto-Batterien, wie weit ist die Technik? Der Hersteller CATL bringt jetzt einen Akku, der einen Reichweitensprung verspricht.
Bild: Mercedes-Benz AG
Inhaltsverzeichnis
- Wie funktioniert eine Elektroauto-Batterie?
- Welche Batterien stecken im E-Auto?
- Wie werden E-Auto-Batterien hergestellt?
- Wie lädt man ein E-Auto am besten?
- Was wiegen Elektroauto-Batterien?
- Wie ist die CO2-Bilanz einer E-Auto-Batterie?
- Wie lange hält eine Elektroauto-Batterie?
- Was kostet die Batterie eines E-Autos?
- Kann man bei E-Autos den Akku wechseln statt laden?
- Wie sieht die Zukunft der E-Auto-Batterie aus?
Der Akku ist beim E-Auto dem Elektromotor das zentrale Bauteil. Das Batteriesystem ist Energiespeicher und Kraftzentrum, es bestimmt die Qualität eines Elektrofahrzeugs maßgeblich.
Mit wachsender Zahl neuer E-Autos wird die Akkukapazität immer wichtiger. Sie entspricht im Prinzip dem Tankinhalt beim Verbrenner-Pkw: Die Kapazität der Antriebsbatterie bestimmt zusammen mit dem Stromverbrauch des E-Antriebs die Reichweite des Elektroautos. Je größer sie ausfällt, desto besser ist die Alltagstauglichkeit. Denn bei größerer Speicherleistung kommt der Wagen weiter und muss seltener an die Ladestation.
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Weil im Zuge des Wandels zur E-Mobilität die Reichweite für immer mehr Menschen bedeutender wird, geraten der Akku des Elektroautos und die Möglichkeiten des schnelleren E-Auto-Ladens stärker in den Fokus.
Die Energiedichte lag bisher bei um die 250 Wattstunden pro Kilogramm, was auch modernen Elektroautos eine gewisse Behäbigkeit aufnötigt. Doch der größte Akkuhersteller CATL hat jetzt eine Technologie vorgestellt, die 500 Wattstunden pro kg ermöglichen soll.
Akkus wandeln als Stromspeicher chemische in elektrische Energie um. Anders als klassische Batterien können E-Auto-Akkus das wie Autobatterien in zwei Richtungen: Sie können Elektrizität aufnehmen und später wieder abgeben – und das in vielen Wiederholungen.
Jeder Akkumulator besteht aus zwei Elektroden, die sich in einem Elektrolyt (das leitende Medium) befinden. Der Elektrolyt kann flüssig sein, aber auch je nach Akku-Typ auch aus Gel oder einem Feststoff bestehen. Die beiden Elektroden (Anode und Kathode) werden durch eine poröse Wand, den Separator, voneinander getrennt. Die Trennung verhindert, dass es zu einem Kurzschluss kommt. Während sich die Elektronen an der Anode sammeln, sind sie auf der Kathode in Unterzahl. Diese Differenz beschreibt die elektrische Spannung. Wird ein Verbraucher zugeschaltet, wandern die überschüssigen Elektronen über Kabel von der Anode zur Kathode – es fließt Strom.
Bei Mercedes werden die elektrischen Modelle mit der Bezeichnung EQ versehen.
Bild: Mercedes-Benz AG
Durch den Wechsel der Elektronen zwischen den Elektroden entstehen Ladungsunterschiede an Anode und Kathode. Diese werden durch die Lithium-Ionen ausgeglichen. Sie bewegen sich vom Elektrolyt getragen durch den Separator. Wird der Akku geladen, dreht sich das Prinzip um: Der Ladestrom "schiebt" die gewanderten Elektronen und Ionen wieder zurück zur Anode. Lithium-Ionen-Akkus zeichnen sich durch eine kompakte Bauform bei gleichzeitig hoher Kapazität aus.
Der Stromspeicher von E-Autos besteht aus vielen einzelnen Modulen, die sich wiederum aus vielen einzelnen Zellen zusammensetzen. Die Batteriezelle ist die kleinste Einheit im Akkusystem. Moderne Systeme setzen auf sogenannte Pouch-Zellen, die von ihrer Bauart her Handy-Akkus ähneln. Beim VW ID.3 ergeben 24 solcher Zellen ein Akku-Modul. Bis zu zwölf Module ergeben am Ende ein Batterie-Paket im elektrischen VW. Aber auch mehr oder weniger Module sind möglich. Die Anzahl von Zellen und Modulen bestimmt die Kapazität des Akkus.
Wegen der hohen Energie- und Leistungsdichte werden in E-Autos zumeist moderne Lithium-Ionen-Akkus verbaut. Sie nutzen Kathoden aus Lithium-Metalloxid, während die Anode meist aus Grafit besteht.
In Deutschland gibt es in E-Autos nur zwei Formen der Zellchemie: NMC (Nickel, Mangan, Kobalt) oder LFP (Lithium-Eisenphosphat). Die beiden haben aber nicht die gleichen Eigenschaften – und vor allem nicht den gleichen Preis. NMC-Zellen haben eine sehr gute Energiedichte, sind sehr leistungsfähig, arbeiten aber nur bei Wohlfühltemperatur optimal, weswegen die Zellen aufwendig gekühlt und geheizt werden müssen. Deshalb sind NMC-Zellen relativ teuer.
LFP-Zellen dagegen beinhalten kein hochpreisiges Nickel und kein Kobalt, zudem sind sie robust. Die Dauerhaltbarkeit ist hoch, das Risiko des "thermischen Durchgehens" (Brandgefahr) sehr gering. Bei großer Kälte allerdings muss mit dem Ladestrom die Batterie zuerst beheizt werden, bevor es richtig losgeht. Weil zusätzlich die Energiedichte schlechter als bei NMC und die Reichweite niedriger ist, kommen LFP-Zellen praktisch nur bei Einstiegsversionen von E-Autos vor, wie zum Beispiel Teslas Model 3 und Model Y mit Heckantrieb. Auch VW will den ID.2 ab 2025 in der Grundversion so anbieten.
Die Rohstoffe
Zur Herstellung von Batterien für Elektroautos dienen Rohstoffe wie Lithium, Nickel, Kobalt, Grafit und Mangan. Ihr Abbau bedingt in Ländern wie Chile oder dem Kongo teilweise Umweltschäden und Kinderarbeit.
Lithium und Kobalt gehören (noch) zu den wichtigsten Rohstoffen in einer E-Auto-Antriebsbatterie.
Bild: BMW
Allerdings richten die großen Autohersteller immer mehr Augenmerk auf diese Problematik und greifen beispielsweise auf in Australien gefördertes Lithium und Kobalt zurück. Erprobt werden darüber hinaus Herstellungsverfahren mit Kunststoff, Schwefel, Magnesium oder Silizium. Silizium wird immer häufiger dem Grafit an der Anode beigemischt. Der Effekt: deutlich schnelleres Laden und steigende Energiedichte.
Die Bauweise
Die meisten Batteriezellen sind in den Formaten zylindrisch, prismatisch und dem dünnen Pouchformat gefertigt. Die Form hat nichts mit dem Inhalt zu tun, welches Format sich durchsetzen wird, ist noch unklar. Häufig verwendet werden Pouchzellen, auch Lithium-Ionen-Polymer-Batterie genannt. Ihre Vorteile: einfache Zellstruktur und damit große Effizienz, niedrige Produktionskosten, hohe Sicherheit und Zuverlässigkeit. Laut Fraunhofer Institut besitzt die Pouchzelle die größten Potenziale für die Optimierung der Energiedichte.
Die prismatische Zelle besteht meist aus gestapelten Anoden und Kathodenpaketen, dem "Zell-Stack". Sie hat ein festes metallisches Gehäuse und zeichnet sich auf Modulebene durch eine nahezu perfekte Kombination aus Energiedichte und Sicherheit bei langer Lebensdauer aus. Diese Bauform wird bislang u. a. von Audi und BMW und ab 2025 zu 80 Prozent vom gesamten VW-Konzern verwendet. Prismatische Zellen können wegen ihrer Kastenform besonders platzsparend in das Gehäuse zwischen den Achsen integriert werden.
Die Rundzellen von BMW sollen ab 2025 eine um 20 Prozent höhere Energiedichte haben und 30 Prozent mehr Reichweite ermöglichen.
Bild: BMW
Die zylindrische Zelle (Rundzelle) steckt in den meisten Teslas, dem Lucid Air und dem Pick-up Rivian R1T. Aber auch BMW will künftig auf die Rundzelle setzen. Weit verbreitet ist der Typ 21700. Lange Streifen der einzelnen Materialien sind in einem zylindrischen Metallgehäuse aufgerollt. Vorteile: die automatisierte Fertigung und die hohe Lebensdauererwartung. Nachteilig sind die aufwendige Kühlung und der Verlust an Bauraum durch die Zwischenräume. Die Batteriepacks von Tesla haben derzeit noch die höchste Energiedichte und damit das geringste Gewicht aller derzeit in E-Fahrzeugen eingesetzten Akkus.
Generell gilt: Ein Ladestand von 20 bis 80 Prozent ist am günstigsten für einen E-Auto-Akku. Extreme Ladestände reduzieren wegen zu hoher oder zu niedriger Spannungen innerhalb der Batteriezellen deren Lebensdauer. Zudem sollte ein guter Mix zwischen Andocken an Schnellladesäulen und dem langsamen Laden gefunden werden, weil Schnellladen den Akku schneller altern lässt. Sehr langsames Laden an der Netzsteckdose (Schuko-Laden) schont zwar den Akku, doch dafür bringt es sehr hohe Ladeverluste. Auch extreme Temperaturen im Sommer oder Winter sind ungünstig – das E-Auto sollte also, wenn möglich, im Schatten oder in der Garage parken. (Lesen Sie auch: So schnell laden E-Autos wirklich!)
Was beim 800-Volt-Laden wichtig ist
E-Auto-Batterien arbeiten meist mit hohen Spannungen, um schnelles Laden zu ermöglichen. Beim VW ID.3 beispielsweise liegen im System 408 Volt an, der Porsche Taycan arbeitet sogar mit 800 Volt, also dem annähernd 3,5-Fachen der klassischen Haushaltsspannung von 230 Volt. Um bei diesen hohen Spannungen den Energiefluss zu steuern, bedarf es einer Leistungselektronik. Die dient neben dem Energiemanagement auch als Wechselrichter, der den im Akku gespeicherten Gleichstrom in Wechselstrom für den E-Motor umwandelt. Für die Bereitstellung des klassischen 12-Volt-Bordnetzes sorgt ein Gleichstrom-Wandler.
Die Leistungselektronik ist das Gehirn des E-Antriebs. Mithilfe intelligenter Frequenz- und Amplitudensteuerung (Begrenzung der Spannung) regelt der Wechselrichter die Leistung der E-Maschine. Während die Frequenz des Wechselstroms die Geschwindigkeit des Autos bestimmt, ist die Amplitude am Ende für die Leistung verantwortlich. Die Leistungselektronik im E-Auto erzeugt also aus dem in der Batterie gespeicherten Gleichstrom genau den Wechselstrom, der für die aktuelle Fahrsituation benötigt wird.
Das Gewicht einer Elektroauto-Batterie liegt meist zwischen 200 und 700 Kilogramm. Der Akku des Kleinstwagens VW e-Up (36,8 kWh Kapazität) wiegt 248 kg, die Batterie eines Tesla Model 3 mit 75 kWh kommt auf 478 Kilo, beim Mercedes EQC wiegt der Leistungsspender schon 650 Kilo. Entscheidend sind die Energiedichte (Wh/kg; gespeicherte Energie pro Kilogramm) und die Leistungsdichte (W/kg; Leistungsabgabe pro Kilogramm).
Die Herstellung der Batterie verbraucht am meisten Energie und verursacht den stärksten CO2-Abdruck beim Bau eines Elektroautos. Der Abbau der nötigen Rohstoffe geht mitunter mit enormen Risiken für die Umwelt einher. An dieser Stelle ein einheitliches Bild zum CO2-Abdruck eines E-Auto-Akkus zu zeichnen, fällt schwer.
Unterschiedliche Studien kommen dank verschiedener Herangehensweisen zu uneinheitlichen Ergebnissen. Eine schwedische Untersuchung aus dem Jahr 2017 ging beispielsweise von 175 Kilogramm CO2-Äquivalent für die Herstellung von einer kWh Batteriekapazität aus. Zwei Jahre später wurde der Wert auf 85 Kilo korrigiert. Eine niederländische Studie setzte 75 Kilogramm CO2 an, doch diese Daten beruhten auf Veröffentlichungen von Tesla. Eine weitere schwedische Studie von 2019 setzte die CO2-Menge pro kWh wieder bei 150 bis 200 Kilogramm an.
Grundsätzlich lässt sich sagen, dass die Herstellung eines E-Autos 70 bis 130 Prozent mehr CO2 verursacht als die Produktion eines Verbrenners. Aber die E-Autos holen das über ihre Lebensdauer wieder rein, denn nach der Produktion stoßen sie kein CO2 mehr aus.Je länger man ein E-Auto fährt, desto günstiger ist es also fürs Klima, sofern grüner Strom geladen wird.
Die meisten Autohersteller geben eine Garantie auf die Lebensdauer einer E-Auto-Batterie von acht Jahren oder 160.000 Kilometer. Lexus liegt hier beim UX300e mit zehn Jahren oder einer Million Kilometern ganz vorne. Die Technik schreitet hier jedoch rasant voran. Heutzutage kann man mit 1500 bis 2500 vollständigen Ladezyklen rechnen, das wäre bei einer durchschnittlichen Reichweite von 200 Kilometern pro Ladevorgang eine Laufleistung von 300.000 bis 500.000 Kilometern. (Hier erfahren Sie mehr über die Lebensdauer von Elektroauto-Batterien)
Dabei sinkt die Kapazität im Alter auf 70 bis 80 Prozent vom Ursprungswert, abhängig von Ladeart, Zahl der Ladezyklen oder auch dem Fahrstil. Moderne Lithium-Ionen-Akkus verkraften bis zu 3000 Ladezyklen. So knackte ein Tesla Model S die Eine-Million-Kilometer-Grenze mit nur drei Akkus. Mehr noch: Tesla arbeitet sogar an einer Super-Batterie für eine Lebensdauer von einer Million Meilen (1,6 Mio. Kilometer) und zwei Jahrzehnten.
Welche Kapazität hat eine E-Auto-Batterie?
Durch das Hinzufügen von Batterie-Modulen wird die Reichweite eines E-Autos vergrößert, während das Weglassen den Aktionsradius beschneidet. Außerdem ist das Alter der E-Auto-Batterie für die Kapazität mitentscheidend. Auch die Energiedichte spielt eine große Rolle, also wie viel Energie bei welchem Gewicht gespeichert werden kann. Die Größe der Akkus variiert: Die Batterie des Kleinstwagens VW e-Up fasst 36,8 kWh. Der Akku des Mercedes-SUV EQA fasst 66,5 kWh, der der Oberklasse-Sportlimousine Porsche Taycan Turbo 93,4 kWh, beim Tesla Model S sind es sogar 103,9 kWh.
Wo sitzt die Batterie im Elektroauto?
Die Zellmodule sitzen im Akkugehäuse, das die einzelnen Module vor Beschädigungen schützt. Werden sie direkt ins Gehäuse eingesetzt, nennt man das Cell-to-Pack. Bei der neuartigen Bauweise Cell-to-Body ist der obere Deckel des Akkupacks gleichzeitig der Innenraumboden.
Bei neuen E-Autos setzt sich der Akku aus vielen Modulen zusammen. Er befindet sich meist im Fahrzeugboden.
Bild: Volkswagen AG
Alle wichtigen Bauteile finden ihren Platz innerhalb des massiven Grundträgers, der als Crashrahmen dient. Beim MEB (Modularer E-Antriebs-Baukasten) von Volkswagen findet sich in der Bodenplatte außerdem das Kühlsystem für die Batterien. Verbunden werden alle Bauteile durch Hochvolt-Kabel.
Trotz laufend sinkender Kosten ist die Batterie noch immer die teuerste Komponente eines E-Autos. Von 6000 Euro bei einem Mittelklassewagen reicht das Spektrum bis zu 20.000 Euro bei einem Luxus-E-Auto von Tesla (offizielle Angaben macht Tesla nicht). Viel hängt vom Marktpreis für Lithium ab, der stark schwankt – im Jahr 2022 zwischen 30 und 80 Dollar pro Kilogramm. Die Kosten senken könnte die vermehrte Verwendung von günstigerem Natrium. Die Preise für Tauschakkus werden von den Herstellern ungern genannt.
Die Marke von 100 Euro pro Kilowattstunde wird in der Branche immer wieder als Punkt genannt, ab dem Elektroautos beim Preis mit vergleichbaren Verbrennern gleichziehen könnten. Der E-Auto-Pionier Tesla steuert diese Marke an. Mit dem geplanten Bau von sechs "Gigafabriken" will VW die 100-Euro-Marke deutlich unterschreiten, die Akkukosten halbieren. Ein Lichtblick: Oftmals lassen sich Akkus reparieren, indem nur einzelne Zellen oder Module getauscht werden.
Batterie mieten oder kaufen?
Das Mieten der Batterie reduziert den Anschaffungspreis des Elektroautos. Die Kosten verteilen sich bei einer Batteriemiete monatlich über mehrere Jahre hinweg. Vorteil: Es werden Leistungsfähigkeit (also Speicherkapazität), Pannenservice und ein Austausch im Falle eines Defekts garantiert. Allerdings gibt es oft beim Kauf eine Haltbarkeitsgarantie über mehrere Jahre bzw. eine gewisse Anzahl gefahrener Kilometer. Bei einem möglichen (kostenlosen) Austausch während einer Miete bleibt der Wiederverkaufswert des E-Autos höher.
Doch es gilt: je höher die jährliche Laufleistung, desto höher der Preis für die Batteriemiete. Dieses Modell amortisiert sich also eher für Vielfahrer. Inzwischen bietet aber so gut wie kein Hersteller mehr eine Batteriemiete an.
Ja, es gibt verschiedene Konzepte, die das Wechseln von E-Auto-Batterien in nur wenigen Minuten ermöglichen sollen. Bereits 2013 wollte das israelische Unternehmen Better Place in Kooperation mit Renault-Nissan eine flächendeckende Infrastruktur für den Akku-Austausch aufbauen, ging aber pleite. Bau und Betrieb der Stationen waren zu aufwendig. Im Mai 2021 kursierten dann Meldungen, wonach der neue Renault-Chef Luca de Meo an eine Wiederaufnahme der Idee denkt. Auch Tesla versuchte sich am Thema Wechselakku, ohne jedoch Konkretes hervorzubringen.
Nio arbeitet intensiv am Akkutausch-System und hat bereits die erste Wechselstation in Europa eröffnet.
Bild: NIO
Am weitesten bei der Battery-Swapping-Technik, die so viele Elektroautobesitzer herbeisehnen, ist China. So hat Nio in seinem Heimatland bereits gut 1100 Wechselstationen am Start (Stand: Dezember 2022). Auch in Deutschland sind mittlerweile die ersten beiden Power Swap Stations (PSS) in Betrieb: eine in Zusmarshausen an der A8 bei Augsburg (Bayern) und eine in Hilden bei Düsseldorf (NRW). Eine dritte in Berlin soll zeitnah folgen, sieben weitere sind für 2023 bestätigt.
Ein erster Test von AUTO BILD in der Power Swap Station (siehe Video) verlief positiv. Bis 2025 sollen es 4000 PSS weltweit werden, 1000 davon außerhalb Chinas.
Nio Power Swap Station (2022): Ladestation - Batterie - Tausch - Info
Akku tauschen statt aufladen
Bild: AUTO BILD
Für 2023 plant auch der Ölmulti TotalEnergies in Zusammenarbeit mit dem deutschen Joint Venture InfraDianba die Errichtung einer markenübergreifenden Akkutausch-Station am Berliner Flughafen BER.
Allerdings besteht beim Prinzip Wechselakku noch das Problem der Herstellerabhängigkeit. Mittlerweile haben Nio und Geely zusammen mit Beijing Electric Vehicle und der chinesischen Regierung einen Standard ausgearbeitet, der seit dem 1. November 2021 gilt. Über eine App sollen Interessierte die Größe des neuen Akkus wählen sowie den Standort und die Zahl der vorhandenen Batterien der Anlagen abfragen können.
Und noch einen Vorteil hätte das System: Da die Akkus nicht gekauft, sondern quasi geliehen oder abonniert würden, könnten die Preise der E-Autos sinken.
Stellantis arbeitet am Lithium-Schwefel-Akku
Stellantis setzt in Zusammenarbeit mit dem kalifornischen Batterieentwickler Lythen auf einen Lithium-Schwefel-Akku, der sich durch eine besonders hohe Energiedichte auszeichnen soll. Das Ziel: die emissionsärmste EV-Batterie auf dem Weltmarkt. Basis ist dreidimensionales Graphen, ein Material, das aus Methan hergestellt wird und dessen Eigenschaften sich gut auf bestimmte Anwendungen abstimmen lassen.
Der Energiespeicher enthält kein Nickel, Kobalt oder Mangan, was den Kohlenstoff-Fußabdruck um geschätzte 60 Prozent gegenüber Litium-Ionen-Akkus verringern soll. Weiterer Vorteil: Die Rohstoffe für Lithium-Schwefel-Batterien können in Nordamerika und Europa beschafft und hergestellt werden, was die regionale Versorgungssicherheit unterstützt.
Hochleistungs-Akku von EVE
Offenbar ist die Lithium-Ionen-Akkutechnologie aber noch längst nicht am Ende: Der chinesische Hersteller EVE hat neuartige Zellen mit bemerkenswertem Speichervermögen vorgestellt. Sie sollen ab 2025 in der neuen Elektroauto-Generation von BMW, der Neuen Klasse, installiert werden. Bei nur 20 Prozent höherem Gewicht gegenüber modernen Zellen von Tesla sollen die EVE-Zellen fast 50 Prozent mehr Energiedichte aufweisen. Das würde die Reichweite dieser neuen Elektroautos um etwa 40 Prozent erhöhen; damit wären sie mit modernen Verbrennern gleichauf.
Natrium-Ionen-Akku von CATL
Einen großen Entwicklungssprung verspricht der chinesische Zulieferer CATL (Contemporary Amperex Technology Limited), der unter anderem Mercedes beliefert. Er hat einen Natrium-Ionen-Akku vorgestellt, dessen Massenfertigung noch 2023 beginnen soll. Die Technik basiert auf Natrium, die Anode des Akkus besteht nur aus Kohlenstoff. Auf teure und seltene Rohstoffe wie Lithium, Kobalt, Kupfer und Nickel kann verzichtet werden.
Natrium ist sehr viel häufiger vorhanden (unter anderem als Abfall beim Kalibergbau), leichter zu gewinnen und energieärmer zu verarbeiten, was der CO2-Bilanz zugutekommt. Die Kathode besteht aus Natrium, Mangan, Eisen, Kohlenstoff und Stickstoff. Ein solcher Akku wäre nachhaltiger, kostengünstiger, weniger brennbar, leistungsfähiger im Winter und besser schnellladefähig.
CATL stellt bahnbrechende Akkutechnologie vor
2022 präsentierte der größte Akku-Hersteller der Welt auf der Messe Auto Shanghai einen weiteren Meilenstein: CATL nennt die neue Technologie eine "condensed battery". Dieser also besonders verdichtete Akku soll eine bemerkenswert hohe Energiedichte von bis zu 500 Wattstunden pro Kilo haben. Das ist rund doppelt so viel, wie moderne Lithium-Polymer- und mehr als dreimal so viel wie Lithium-Eisenphosphat-Batterien erreichen.
Bislang wurde eine solche Energiedichte erst von Feststoffbatterien erreicht, die aber noch nicht serienreif sind. Der chinesische Hersteller will noch 2023 mit der Fertigung von solchen Batterien für Elektroautos beginnen. Sogar für den Flugbetrieb hält CATL die "verdichtete Batterie" für geeignet.
Günstiger Aluminium-Schwefel-Akku aus den USA
Auch der Aluminium-Schwefel-Akku, den Forscher am renommierten Massachusetts Institute of Technology (MIT) in den USA entwickelt haben, kommt ohne teures Lithium aus, er könnte also sehr wirtschaftlich sein und die Kosten für Elektromobilität senken. Stattdessen werden Elektroden aus Schwefel und Aluminium verwendet, als Separator dazwischen dient flüssiges Chloraluminat-Salz. Das hat nebenbei den Vorteil, dass die Batterie im Falle einer Überhitzung nicht in Brand geraten kann.
Was sind Feststoffakkus?
Feststoffakkus gelten als weiterer, großer Schritt in der Entwicklung neuer Batterien für Elektroautos. Immer mehr Hersteller, wie zum Beispiel Mercedes, BMW und VW arbeiten mit Partnern an ihrer Entwicklung. Die neuartigen Batteriezellen verzichten auf flüssige Elektrolyte und setzen stattdessen auf Feststoffe. Die Vorteile sind eine höhere Energiedichte, weniger Komplexität und eine günstigere Herstellung.
Wie Samsung bei einem Prototyp zeigte, ist zudem die Gefahr von Kristallisationen ("Dendritenbildung") kleiner, die die Lebensdauer und Sicherheit der Batterie beeinträchtigen. Außerdem sind Feststoffakkus kleiner und damit platzsparender. In diese Richtung geht auch Nio. Der chinesische Hersteller hat eine 150-kWh-Feststoffbatterie mit einer extrem hohen Energiedichte von 360 Wh/kg angekündigt. Sie soll 1000 Kilometer Reichweite möglich machen. Ihre Einführung im Nio ET7 wurde aber immer wieder verschoben.
Was ist die SALD-Technologie bei E-Auto-Akkus?
Auch an anderen Stellen schreitet die Forschung voran. Die neuartige SALD-Technologie der deutschen Fraunhofer-Institute und der staatlichen niederländischen Forschungseinrichtung The Netherlands Organisation (TNO) soll mithilfe spezieller Atom-Beschichtungen Reichweiten jenseits von 1000 Kilometer ermöglichen. Außerdem soll sie den Akku fünfmal so schnell laden lassen wie bisher. Ein Forschungsinstitut aus Taiwan hat einen intelligenten Akku entwickelt, der vom Fahrverhalten lernt und seine Kapazität so deutlich besser ausnutzen kann.
Wie wird am extremen Schnellladen gearbeitet?
Bislang ist das nur der Stand der Forschung, bis zu einer Massenproduktion dürfte es noch mehrere Jahre dauern. Bis dahin entwickeln die Hersteller die Lithium-Ionen-Batterie weiter, etwa bei Tesla in Grünheide (Brandenburg) und bei StoreDot. Das Start-up aus Israel arbeitet an siliziumdominierten XFC-Lithium-Ionen-Akkus, die 160 Kilometer Reichweite in fünf Minuten ermöglichen sollen. Tests in produktionsfähigem Format verliefen bereits erfolgreich, 2024 soll die Batterietechnologie für "extremes Schnellladen" auf den Markt kommen.
Die Great-Wall-Motors-Tochter SVOLT (aus China) und General Motors (GM) sind ebenfalls an einer kobaltfreien E-Auto-Batterie dran. US-Forscher glauben zudem, den Durchbruch bei der Suche nach mehr Reichweite gefunden zu haben, indem sie mit einer neuartigen Elektrolyt-Mischung die Dendriten-Bildung eindämmen.
Wie werden alte E-Auto-Batterien entsorgt?
Immer mehr Batterien landen nach ihrem Einsatz in Elektroautos im "Second Life", also als stationärer Speicher für Privathaushalte, aber auch zusammengeschaltet als Großspeicher in Gebäuden und Fabriken oder kommunalen Gebäude. Das "zweite Leben" kann durchaus zehn weitere Jahre lang währen. Beim Recycling werden derzeit noch vor allem Aluminium, Stahl und Kunststoffe aus Gehäusen und Komponenten der Akkus rückgewonnen. Das Recyceln der weitaus wichtigeren Rohstoffe im Akku ist derzeit noch sehr teuer. Im Visier haben Forscher vor allem Lithium und Kobalt, aber auch Grafit. Eine 50-kWh-Batterie enthält ungefähr:
• 6 kg Lithium
• 10 kg Mangan
• 11 kg Kobalt
• 32 kg Nickel
• zwischen 50 und 100 kg Grafit.
• 10 kg Mangan
• 11 kg Kobalt
• 32 kg Nickel
• zwischen 50 und 100 kg Grafit.
Bis 2030 sollen nach Berechnungen der Denkfabrik "Agora Energiewende" rund zehn Prozent des Batterie-Rohstoffbedarfs durch Recycling gedeckt werden.
Was ist bidirektionales Laden bei E-Auto-Akkus?
Verfügt das E-Auto über eine bidirektionale Ladetechnik, kann es quasi zu einem separaten Kraftspeicher werden. Das heißt, der Akku kann nicht nur Energie durchs Laden aufnehmen und dann beim Fahren den Motor versorgen, sondern auch den Strom wieder nach außen abgeben.
Dies ist beispielsweise bei "Vehicle to Grid" (V2G) praktisch, um zu Spitzenzeiten erzeugten Strom aus Wind oder Sonne zu speichern und anschließend ins Netz einzuspeisen. Eine andere Möglichkeit ist "Vehicle to Home" (V2H), wenn der Strom direkt im Haushalt verbraucht wird. Oder aber der Akku versorgt direkt ein externes Gerät ("Vehicle to load"; V2L), zum Beispiel auf Campingausflügen das E-Bike oder den Elektrogrill.
Bidirektionales Laden beherrschen jedoch nur die wenigsten E-Autos. Vorreiter sind die Japaner mit den dort verbreiteten CHAdeMO-Steckern, einer der ersten Könner war der Nissan Leaf. Inzwischen sind aber auch die mit CCS-Technik ladenden Ioniq 5 und Kia EV6 in der Lage, mit einem Adapter den Ladeanschluss in eine 230-Volt-Steckdose mit 3,6 kW Leistung zu verwandeln.
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