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

Technik: Elektroauto, Akku, Funktion, Kosten

E-Auto-Batterie: Das müssen Sie wissen

Der Akku ist der Tank des Elektroautos. Aber wie ist so eine Batterie aufgebaut? Woraus wird sie hergestellt, und was kostet sie? AUTO BILD klärt alle wichtigen Fragen!
Der Tankinhalt von Autos wird im Zeitalter der E-Mobilität von der Akkukapazität abgelöst. Sie bestimmt zusammen mit dem Stromverbrauch des E-Antriebs die Reichweite eines Elektroautos. Heißt: Die Batterie eines Elektroautos gewinnt immer mehr an Bedeutung.

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Aber wie ist eine solche Batterie aufgebaut? Woraus wird der so wichtige Energiespeicher im Auto hergestellt, wie steht's um seine Entsorgung? Wie lange ist die Lebensdauer eines E-Auto-Akkus, und wie teuer ist er? AUTO BILD erklärt die Funktionsweise von E-Auto-Batterien auf Basis des VW ID.3-Stromspeichers und gibt Antworten auf alle weiteren wichtigen Fragen!

Alle Infos zur E-Auto-Batterie

Wie ist eine E-Auto-Batterie aufgebaut?

Der Stromspeicher 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.

Wie bestimmt sich die Reichweite?

Durch das Hinzufügen von Modulen wird die Reichweite vergrößert, während durch das Weglassen der Aktionsradius des E-Autos beschnitten wird. Außerdem ist das Alter der E-Auto-Batterie mit entscheidend. Auch die Energiedichte spielt eine große Rolle, also wie viel Energie bei welchem Gewicht gespeichert werden kann.

Wo sitzt die Batterie im Elektroauto?

Die Zellmodule nehmen in einem Akkugehäuse Platz, das die einzelnen Module vor Beschädigungen schützen soll. 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.

Wie wird die Spannung in der Elektroauto-Batterie gesteuert?

E-Auto-Batterien arbeiten mit hohen Spannungen. Beim ID.3 liegen im System beispielsweise 408 Volt an, ein Porsche Taycan arbeitet sogar mit 800 Volt, annähernd dem 3,5-Fachen der klassischen Haushaltsspannung. 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.

Was macht die Leistungselektronik genau?

Der Begriff "Leistungselektronik" taucht im Zusammenhang mit E-Autos immer wieder auf, wird aber selten genauer beschrieben. Im Grunde stellt sie das Gehirn des E-Antriebs dar. 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 regelt, 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.

Wie funktionieren Akkus allgemein?

Akkus sind Stromspeicher und wandeln chemische in elektrische Energie um. Im Gegensatz zu klassischen Batterien können Akkus das in beide Richtungen. Sie können Elektrizität aufnehmen und später wieder abgeben.
Jeder Akkumulator besteht aus zwei Elektroden, die sich in einem Elektrolyt (leitendes Medium) befinden. Das Elektrolyt muss nicht immer flüssig sein, sondern kann, je nach Akkutyp, auch ein Gel oder Feststoff sein. Die beiden Elektroden (Anode und Kathode) werden durch eine poröse Wand, den Separator, voneinander getrennt. Dadurch wird ein Kurzschluss vermieden. Während an der Anode ein Elektronenüberschuss herrscht, befinden sich auf der Kathode zu wenig Elektronen. Diese Differenz beschreibt die elektrische Spannung.Wird ein Verbraucher zugeschaltet, wandern die überschüssigen Elektronen über Kabel von der Anode zur Kathode – es fließt Strom.

Wie funktionieren moderne Lithium-Ionen-Akkus?

Moderne Lithium-Ionen-Akkus nutzen Kathoden aus Lithium-Metalloxid, während die Anode gerne 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.

Was kostet die Batterie eines E-Autos?

Auch wenn die Kosten im Laufe der vergangenen Jahre rapide gesunken sind, 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 Luxusstromer 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.
Daher bieten Hersteller wie Renault und Nissan die Akkus zur Miete an. Beim Renault Zoe (2019 meistverkauftes Elektroauto in Deutschland) beginnt die Preisspanne bei 74 Euro monatlich für den 41-kWh-Akku und 7500 Kilometer Mindestlaufleistung. Vorteil: Es werden Leistungsfähigkeit, Pannenservice und ein Austausch bei einem Defekt garantiert.

Was sind die Vorteile von Feststoffbatterien?

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.

Woraus werden E-Auto-Batterien hergestellt?

Für die Herstellung von E-Auto-Batterien verwendet werden Rohstoffe wie Lithium, Nickel, Kobalt, Graphit und Mangan, deren Abbau in Ländern wie Chile oder dem Kongo teilweise für Umweltschäden und Kinderarbeit sorgt. Allerdings richten die großen Autohersteller immer mehr ihr 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.

Wie hoch ist die Lebensdauer einer E-Auto-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, 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: Die Amerikaner arbeiten sogar an einer Batteriezelle für eine Lebensdauer von einer Million Meilen (1,6 Mio. Kilometer) und zwei Jahrzehnten.

Was ist mit der Entsorgung von E-Auto-Batterien?

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 Recyclen der weitaus wichtigeren Rohstoffe ist derzeit wegen fehlender Kapazitäten noch sehr teuer. Allerdings könnten bis 2030 nach Berechnungen der Denkfabrik Agora Energiewende rund zehn Prozent des Batterie-Rohstoffbedarfs durch Recycling gedeckt werden.

Worauf sollte man beim Laden achten?

Generell gilt: Ein Ladestand von 20 bis 80 Prozent ist am günstigsten für einen E-Auto-Akku, extreme Ladestände reduzieren wegen zu hohen oder zu niedrigen 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 also wenn möglich im Schatten oder in der Garage parken. Lesen Sie auch: So schnell laden E-Autos wirklich!

*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).

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