Mercedes EQA Akku

Elektroauto-Batterie: Lebensdauer, Kosten, Funktion, Recycling

So funktioniert der Akku eines Elektroautos

Die Reichweite eines Elektroautos hängt vom Akku ab. Wie ist so eine Batterie aufgebaut? Wie lange hält sie, woraus besteht sie, wie lässt sie sich recyceln? Und was kostet der Ersatz einer verbrauchten E-Auto-Batterie? Alle Infos!
Der Akku ist das Kraftzentrum eines E-Autos. Mit wachsendem Anteil der E-Mobilität rückt die Akkukapazität in den Blickpunkt: Sie entspricht, vereinfacht ausgedrückt, dem Tankinhalt beim Pkw mit Verbrenner. 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 für immer mehr Menschen bedeutender wird, rückt auch der Akku des Elektroautos stärker in den Fokus. Mit seiner Leistung wächst die Alltagstauglichkeit eines E-Autos.
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Warum ist die Reichweite derzeit noch begrenzt? 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 Recycling? AUTO BILD erklärt die Funktionsweise von E-Auto-Batterien und gibt Antworten auf die wichtigsten Fragen zum Akku für Elektroautos!

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 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, 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 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.

Wie schwer ist 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, 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).

Woraus und wie werden E-Auto-Batterien hergestellt?

Zur Herstellung von Batterien für Elektroautos dienen Rohstoffe wie Lithium, Nickel, Kobalt, Graphit und Mangan. Ihr Abbau bedingt in Ländern wie Chile oder dem Kongo teilweise Umweltschäden und Kinderarbeit. 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.

Welche Lebensdauer hat eine Elektroauto-Batterie?

Die Lebensdauer einer E-Auto-Batterie liegt zwischen acht und zehn Jahren. Gerechnet wird meist mit 500 bis 1000 Ladezyklen, das entspräche bei einer durchschnittlichen Reichweite von 100 Kilometern pro Ladevorgang 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 des neuen Mercedes-SUVs EQA 66,5 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 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 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 gilt: Je höher also die jährliche Laufleistung, desto höher der Preis für die Batteriemiete. Dieses Modell amortisiert sich also eher für Vielfahrer.

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 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. In diese Richtung geht auch Nio. Der chinesische Hersteller hat eine 150-kWh-Feststoff-Batterie mit einer extrem hohen Energiedichte von 360 Wh/kg angekündigt. Sie soll ab Ende 2022 1000 Kilometer Reichweite möglich machen.
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 der 1000 Kilometer in greifbare Nähe rücken. 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.
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, wie bei Tesla in Grünheide oder bei StoreDot in Israel. Bei CATL, dem weltgrößten Produzenten von Lithium-Ionen-Akkus, wird laut dem Firmenchef ein Batteriepaket geplant, das zwei Millionen Kilometer Laufleistung ermöglichen soll.
Die 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.

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 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.
Bis 2030 sollen 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 E-Antriebs-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 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. Einige Autohersteller wie VW und BMW bieten Ladestromtarife an, ebenso der ADAC oder 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.

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*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: Daimler AG

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