Technik-Serie: So funktioniert ein E-Auto. Der Akku.

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Elektroauto-Batterie: Kosten, Funktion, Lebensdauer

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Das müssen Sie über die Kapazität von E-Auto-Batterien wissen

Der Akku hat großen Einfluss auf die Reichweite eines Elektroautos. Wie ist so eine Batterie aufgebaut? Wie lange hält sie, woraus besteht sie, was kostet eine E-Auto-Batterie? AUTO BILD klärt alle wichtigen Fragen!
Mit wachsendem Anteil der E-Mobilität rückt die Akkukapazität in den Blickpunkt – sie entspricht im Wesentlichen dem Tankinhalt beim Verbrennungsauto. Die Kapazität bestimmt zusammen mit dem Stromverbrauch des E-Antriebs die Reichweite eines Elektroautos. Weil im Zuge des Wandels zur E-Mobilität das Thema Reichweite immer bedeutender wird, wird auch der Akku des Elektroautos immer wichtiger. Mit seiner Leistung wächst die Alltagstauglichkeit eines E-Autos.
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Wie sind die Batterien von E-Autos aufgebaut? Woraus besteht der Energiespeicher im E-Auto, wie oft können Akkus geladen werden, wie lange dauert das? Wie groß ist die Lebensdauer eines E-Auto-Akkus, und wie teuer ist er? Schließlich: Wie steht es um das spätere Recycling? AUTO BILD erklärt die Funktionsweise von E-Auto-Batterien auf Basis des VW ID.3-Stromspeichers und gibt Antworten auf die wichtigsten Fragen zum Thema Akku!

Alle Infos zur E-Auto-Batterie

Wie funktioniert eine Elektroauto-Batterie?

Akkus sind Stromspeicher, sie wandeln chemische in elektrische Energie um. Anders als klassische Batterien können Akkus das in zwei Richtungen: Sie können Elektrizität aufnehmen und später wieder abgeben.
Jeder Akkumulator besteht aus zwei Elektroden, die sich in einem Elektrolyt, das ist das leitende Medium, befinden. Der Elektrolyt muss nicht flüssig sein, er kann je nach Akku-Typ auch aus Gel oder ein Feststoff sein. Die beiden Elektroden (Anode und Kathode) werden durch eine poröse Wand, den Separator, voneinander getrennt. Durch die Trennung kommt es zu keinem Kurzschluss. 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.
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 und bestimmen die Kapazität des Akkus.
E-Auto-Batterien arbeiten meist mit hohen Spannungen. Beim ID.3 liegen im System beispielsweise 408 Volt an, der Porsche Taycan arbeitet sogar mit 800 Volt, annähernd das 3,5-Fache 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 quasi 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.

Welche Batterie steckt im E-Auto?

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 Graphit besteht. 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.

Gewicht: Was wiegt eine E-Auto-Batterie?

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. Entscheidend sind die Energiedichte (Wh/kg; gespeicherte Energie pro Kilogramm) und die Leistungsdichte (W/kg; Leistungsabgabe pro Kilogramm).

Woraus und wie werden E-Auto-Batterien hergestellt?

Zur Herstellung von Batterien für Elektroautos dienen Rohstoffe wie Lithium, Nickel, Kobalt, Graphit und Mangan, deren Abbau in Ländern wie Chile oder dem Kongo teilweise Umweltschäden und Kinderarbeit bedingen. Allerdings richten die großen Autohersteller immer mehr Augenmerk auf diese Problematik und greifen beispielsweise auf in Australien gefördertes Lithium und Kobalt zurück. Erprobt werden zudem auch Herstellungsverfahren mit Kunststoff, Schwefel, Magnesium oder Silizium.

Welche Lebensdauer hat eine Elektroauto-Batterie?

Die Lebensdauer einer E-Auto-Batterie liegt im Allgemeinen zwischen acht und zehn Jahren. Gerechnet wird meist mit 500 bis 1000 Ladezyklen, das entspräche bei einer durchschnittlichen Reichweite pro Ladevorgang von 100 Kilometern einer Laufleistung von 50.000 bis 100.000 Kilometern. Dabei sinkt die Kapazität im Alter auf 70 bis 80 Prozent vom Ursprungswert, abhängig von Ladeart, Zahl der Ladezyklen oder auch dem Fahrstil. Allerdings schreitet auch hier die Technik rasant voran. Moderne Lithium-Ionen-Akkus verkraften auch 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 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 mit entscheidend. 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, die der Oberklasse-Sportlimousine Porsche Taycan Turbo 93,4 kWh.

Was kostet die Batterie eines E-Autos?

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. Die Marke von 100 Dollar 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.

Batterie mieten oder kaufen?

Das Mieten der Batterie reduziert den Anschaffungspreis des Elektroautos. Die Kosten verteilen sich stattdessen bei einer Batteriemiete monatlich über mehrere Jahre hinweg. Vorteil: Es werden Leistungsfähigkeit (also Speicherkapazität), Pannenservice und ein Austausch bei einem Defekt garantiert, allerdings gibt es oft auch beim Kauf eine Haltbarkeitsgarantie über mehrere Jahre oder eine gewisse Anzahl gefahrener Kilometer. Bei einem möglichen (kostenlosen) Austausch während einer Miete bleibt der Wiederverkaufswert des E-Autos höher.
Renault bietet die Akkus auch zur Miete an. Beim Zoe (2019 und wohl auch 2020 meistverkauftes Elektroauto in Deutschland) spart man 8000 Euro an Kaufpreis. Die Preisspanne beginnt bei 72,13 Euro monatlich für den 41-kWh-Akku bei 7500 Kilometer Jahreslaufleistung und reicht bis 120,87 Euro pro Monat für eine Kilometer-Flatrate. Je höher also die jährliche Laufleistung, desto höher der Preis für die Batteriemiete. Für Vielfahrer amortisiert sich also der Kauf eher.

Wie sieht die Zukunft der E-Auto-Batterie aus?

Feststoff-Akkus gelten vielen als nächster großer Schritt in der Entwicklung neuer Batterien für Elektroautos und sollen zukünftig die Reichweitenangst besiegen. Sie verzichten auf flüssige Elektrolyte und setzen stattdessen, wie der Name schon sagt, 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 Feststoff-Akkus kleiner und damit platzsparender. Allerdings gibt es auch Zweifel an der Praktikabilität, bis zu einer Massenproduktion dürfte es noch mehrere Jahre dauern. Bis dahin entwickeln die Hersteller die Lithium-Ionen-Batterie weiter.
Der weltgrößte Produzent von Lithium-Ionen-Akkus, CATL, behauptet, schon jetzt für nur zehn Prozent Aufpreis einen Super-Akku mit einer Lauf- und Lebensdauer von zwei Millionen Kilometern (1,24 Millionen Meilen) und 16 Jahren liefern zu können. Tesla (wie VW, BMW und Daimler Partner) wollen die Chinesen möglicherweise schon bald mit billigeren und kobaltfreien Lithium-Eisenphosphat-Zellen beliefern, für mehr Reichweite für das Model 3.  Great-Wall-Motors-Tochter SVOLT (ebenfalls 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.
Die deutschen Fraunhofer-Institute und die niederländische staatliche Forschungseinrichtung The Netherlands Organisation (TNO) haben in einem Gemeinschaftsprojekt die Akku-Technologie SALD ("Spatial Atom Layer Deposition") entwickelt. Diese verspricht Reichweiten von mehr als 1000 Kilometern und eine fünffache Ladegeschwindigkeit, dank einer zur ultradünnen Beschichtung im 3D-Format – der sogenannten Atombeschichtung. Sie soll 2022 oder 2023 einsatzbereit sein. Gespräche mit mehreren Autoherstellern über eine Massenfertigung seien bereits geführt, so die Vermarktungsfirma SALD BV.

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. Das "zweite Leben" kann durchaus zehn weitere Jahre lang dauern. 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 das Graphit. Eine 50 kWh-Batterie enthält ungefähr:
• 6 kg Lithium
• 10 kg Mangan
• 11 kg Kobalt
• 32 kg Nickel
• zwischen 50 und 100 kg Graphit.
Bis 2030 nach Berechnungen der Denkfabrik "Agora Energiewende" rund zehn Prozent des Batterie-Rohstoffbedarfs durch Recycling gedeckt werden.

Was sollte man beim Laden beachten?

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 die Lebensdauer. Zudem sollte ein guter Mix zwischen Andocken an Schnellladesäulen und "Schnarchladungen" gefunden werden. 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!

Wo sitzt die Batterie im Elektroauto?

Die Zellmodule nehmen in einem Akkugehäuse Platz, das die einzelnen Module vor Beschädigungen schützt. Alle wichtigen Bauteile finden ihren Platz innerhalb des massiven Grundträgers, der als Crashrahmen dient. Beim MEB (Modularer Elektrifizierungs-Baukasten) von Volkswagen findet sich in der Bodenplatte außerdem das Kühlsystem für die Batterien. Verbunden werden alle Bauteile durch Hochvolt-Kabel.

Das kostet das Laden an der Ladestation und zu Hause

Zum Laden an öffentlichen Ladestationen muss man in der Regel einen Vertrag mit einem lokalen und überregionalen Stromunternehmen schließen. Die Preise variieren stark, so sollte man sich vor dem Einstöpseln des E-Autos über den Tarif im Klaren sein. Der Preis schwankt zwischen 0,30 bis 1,25 Euro pro kWh. Bei noch immer verlangten Pauschalpreisen von 12 bis 22 Euro pro Ladevorgang kann das Laden ziemlich teuer werden. Anbieter für Roaming-Lösungen sind beispielsweise "Plugsurfing", "NewMotion" und "ladenetz.de". Sie übernehmen gegen eine Gebühr die komplette Abrechnung – bezahlt wird allerdings nach dem Tarif der Ladesäulenbetreiber. Auch einige Autohersteller wie VW und BMW oder Dienstleister wie der ADAC bieten Ladestromtarife an, wie auch der Kraftstoffanbieter Shell mit "Recharge". (So funktioniert das Laden.)
Wer sein Auto privat zu Hause aufladen will, der sollte einen passenden Stromtarif suchen und sich überlegen, ob er per Wallbox oder Steckdose laden will. Die Tarife dafür variieren, mit der Wahl des richtigen Tarifs lassen sich bis zu 500 Euro pro Jahr sparen.

*Weitere Informationen zum offiziellen Kraftstoffverbrauch und zu den offiziellen spezifischen CO2-Emissionen und gegebenenfalls zum Stromverbrauch neuer Pkw können dem "Leitfaden über den offiziellen Kraftstoffverbrauch" entnommen werden, der an allen Verkaufsstellen und bei der "Deutschen Automobil Treuhand GmbH" unentgeltlich erhältlich ist (www.dat.de).

Autor:

Fotos: VW

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