Elektroautos - Batterien

Bisher kamen in Elektrofahrzeugen Batterien zum Einsatz, die entweder nur für kurze Strecken ausgelegt waren, oder so schwer waren, dass sie rund 30% des gesamten Fahrzeuggewichtes ausgemacht haben. Auch hatten bisher Verfügbare Batterien zumeist eine relativ kurze Lebensdauer. Übliche Bleiakkus, die als Starterbatterien für Verbrennungsmotoren dienen, sind nicht auf eine hohe Lebensdauer optimiert und für Antriebszwecke deshalb ungeeignet. Bleiakkus speziell für Traktionszwecke sind besser geeignet, haben aber immer noch eine zu geringe Zyklenfestigkeit.

Reichweiten von 300 km bis 500 km und mehr werden erst durch den Einsatz von Batterien auf Lithiumbasis (Lithium-Ionen- bzw. Lithium-Polymer- und in Zukunft Lithium-Luft-Batterien) möglich, die eine wesentlich höhere Energiedichte bei gleichzeitig reduziertem Gewicht haben. Theoretisch kann zwar bei jedem Fahrzeug, das bisher mit Blei- oder Nickel-Cadmium-Batterien gefahren ist, diese gegen Lithium-Ionen-Batterien ausgetauscht und das entsprechende Ladegerät nachgerüstet werden, um ein Vielfaches der ursprünglichen Reichweite zu erzielen. Der Austausch ist jedoch noch recht kostspielig.

Wichtige Eigenschaften einer Batterie

Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Batteriearten lassen sich an den folgenden Eigenschaften festmachen:

Energiedichte

Die Energiedichte von Batterien ist das Maß für die Effizienz der Energiespeicherung. Mit diesem Wert lassen sich Aussagen über die Reichweite des Fahrzeugs in Bezug auf das Batteriegewicht treffen. Die Energiedichte wird in der Regel in Wattstunden pro Volumeneinheit in Liter (Wh/l) oder Wattstunden pro Masseeinheit in Kilogramm (Wh/kg) angegeben. Beide Werte sollten möglichst hoch sein. Beispielsweise beträgt die Energiedichte einer Lithium-Polymer-Batterie 140-180 Wattstunden pro kg Masse (140-180 Wh/kg) und die einer Nickel-Metallhydrid-Batterie (NiMH) 80 Wh/kg.

Eine gute Batterie kennzeichnet eine hohe Energiedichte, um hohe Reichweiten der Fahrzeuge bei minimalem Gewicht zu erzielen.

Leistungsdichte

Während die Energiedichte beschreibt, welche Energiemenge pro Volumen- oder Masseeinheit in der Batterie gespeichert werden kann, beschreibt die Leistungsdichte wie viel Leistung pro Volumen oder Masse abgegeben werden kann. Sprich, die entnehmbare elektrische Leistung bezogen auf die Masse oder das Volumen.

Die Leistungsdichte ist wichtig für das Beschleunigungsvermögen und die Geschwindigkeit eines Fahrzeugs.

Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad ist allgemein das Verhältnis von abgegebener Leistung (Pab = Nutzleistung) zu zugeführter Leistung (Pzu). Die dabei entstehende Differenz von zugeführter und abgegebener Leistung bezeichnet man als Verluste oder genauer Verlustleistung.

Der Wirkungsgrad beschreibt die Effizienz von Energiewandlungen, aber auch von Energieübertragungen.

Zyklenfestigkeit

Die Zyklenfestigkeit (Lebensdauer) einer Batterie ist ein Mass dafür, wie oft diese geladen und entladen werden kann. Sie beschreibt die maximal mögliche Anzahl von Ladungen und Entladungen bis es zu einem deutlichen Kapazitätsverlust kommt.

Eine gute Batterie kennzeichnen viele Ladezyklen ohne große Kapazitätsverluste.


Batteriearten

Die gängigsten Batteriearten mit ihren wichtigen Besonderheiten werden im Folgenden kurz dargestellt.

Bleibatterie

Die klassische Bleibatterie ist als Starterbatterie von Verbrennungsfahrzeugen bekannt. Die Elektroden bestehen im geladenen Zustand aus Blei und Bleidioxid und der Elektrolyt aus verdünnter Schwefelsäure. Bleibatterien gelten für eine Lebensdauer von einigen Jahren als zuverlässig und preisgünstig. Im Vergleich mit anderen Batterietechnologien sind sie jedoch ziemlich schwer und weisen eine geringe Energiedichte von nur 0,11 MJ/kg auf.

Nickel-Cadmium-Batterie (NiCd)

Die Nickel-Cadmium-Batterie hat zwar Vorzüge gegenüber einer Bleibatterie, doch wegen der Umweltschädlichkeit des Schwermetalls Cadmium hat das Europäische Parlament Cadmium in Batterien 2006 bis auf wenige Ausnahmen, die außerhalb des Verkehrsbereichs liegen, verboten.

Nickel-Metallhydrid-Batterie (NiMH)

Die Nickel-Metallhydrid-Batterie ist eine Batterie mit einer negativen Elektrode aus Nickel(II)-hydroxid und einer positiven Elektrode aus einem Metallhydrid. Sie weist eine höhere Energiedichte als eine Nickel-Cadmium-Batterie auf (ca. doppelt so hoch). Die Leistungsdichte und Kältefestigkeit ist geringer als bei einer Nickel-Cadmium-Batterie. Die Nickel-Metallhydrid-Batterie hat eine Selbstentladerate von 5 bis 10 Prozent am ersten Tag und stabilisiert sich danach bei 0,5 bis 1 Prozent pro Tag bei Raumtemperatur.

Natrium-Nickel-Chlorid-Batterie (NaNiCl)

Die Natrium-Nickelchlorid-Batterie, auch ZEBRA-Batterie genannt, zählt zu den Thermalbatterien. Es werden statt eines flüssigen Elektrolyten ein fester Elektrolyt und eine Kombination aus flüssigen und festen Elektroden verwendet. Entwickelt wurde die Zelle gegen Ende der 1980er Jahre von der südafrikanischen Firma Zebra Power Systems and Beta R&D Ltd. Die Abkürzung ZEBRA steht für engl. Zero Emission Battery Research Activities.
NaNiCl-Batterien haben einen Wirkungsgrad von 100%. Sie Besitzen eine hohe Energiedichte (rund 120 Wh/kg) und zeichnen sich durch die lange Lebensdauer (3.000 Zyklen und mehr) aus.

Lithium-Ionen-Batterie (Li-Ionen)

In der Lithium-Ionen-Batterie wird die elektrische Energie in Lithium-Atomen (an der negativen Elektrode) und (zumeist) Übergangsmetall-Ionen (an der positiven Elektrode) gespeichert. Dabei kann Lithium in ionisierter Form durch den Elektrolyten zwischen den beiden Elektroden hin- und herwandern. Daher kommt auch der Name der Lithium-Ionen-Batterie. Im Gegensatz zu den Lithium-Ionen sind die Übergangsmetall-Ionen ortsfest.
Mittlerweile gibt es eine ganze Familie an Lithium-Batterien:

Lithium-Titanat-Batterie

Die Lithium-Titanat-Batterie ist eine Weiterentwicklung der Lithium-Ionen-Batterie, bei der die herkömmliche Graphitanode durch eine nanostrukturierte Lithium-Titanat-Anode ersetzt wird. Die wesentlich stärkere chemische Bindung des Lithiums im Titanat verhindert die Bildung einer Oberflächenschicht auf der Elektrode, die eine der Hauptgründe für die schnelle Alterung vieler herkömmlicher Li-Ion-Akkus ist. Dadurch wird die Zahl der möglichen Zyklen drastisch erhöht. Dadurch, dass das Titanat nicht mehr mit Oxiden aus der Kathode reagieren kann, wird auch das thermische Durchgehen des Akkus verhindert, selbst bei mechanischen Schäden. Außerdem kann der Akku aufgrund der Lithium-Titanat-Anode im Gegensatz zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus auch bei tiefen Temperaturen in einem Temperaturbereich von -40 °C bis +55 °C betrieben werden.
Die Lithiumtitanat-Anode besitzt darüber hinaus eine effektiv wirksame Oberfläche von 100 m2 pro Gramm im Vergleich zu 3 m2 pro Gramm einer Graphitelektrode. Dadurch werden sehr kurze Ladezeiten und eine sehr hohe Leistungsdichte von etwa 4 kW/kg erreicht. Die Energiedichte liegt mit 70-90 Wh/kg hingegen vergleichsweise niedrig.

Lithium-Eisen-Phosphat-Batterie

Die Lithium-Eisen-Phosphat-Batterie (LiFePO4) ist eine Weiterentwicklung des Lithium-Ionen-Akkumulators, bei dem die herkömmliche Lithium-Cobaltoxid-Kathode durch eine Lithium-Eisenphosphat-Kathode ersetzt wurde. Diese Batterie zeichnet sich durch hohe Lade- und Entladeströme, sehr gute Temperaturstabilität und lange Lebensdauer aus. Die Nominalspannung beträgt 3,2 V beziehungsweise 3,3 V, die Energiedichte beträgt 100-120 Wh/kg, die Leistungsdichte etwa 1,8 kW/kg.

Lithium-Luft-Batterie

Die Lithium-Luft-Batterie ist eine neue Entwicklung durch das IBM Almaden Research Center, in der die Kathode durch Luft ersetzt wird. Als Anode dient metallisches Lithium, das vollständig an der Reaktion teilhaben kann. Da der für die Reaktion benötigte Sauerstoff aus der Umgebungsluft entnommen werden kann, wird die Kapazität einer Lithium-Luft-Zelle alleine durch die Größe der Lithium-Anode bestimmt. Die theoretisch erreichbare Energiedichte liegt, wenn man die Masse des Sauerstoffs nicht berücksichtigt, bei rund 11.000 Wh/kg bei einer Nominalspannung von 2,96 V. IBM geht von einer kommerziell erreichbaren Energiedichte von etwa 1000 Wh/kg aus, nahezu dem zehnfachen der Energiedichte der heute käuflichen Lithium-Ionen-Akkumulatoren. In einer für den maritimen Einsatz gedachten Variante der Lithium-Luft-Batterie wird der Sauerstoff aus Meerwasser bereitgestellt.

Lithium-Feststoff-Batterie

Die Lithium-Feststoff-Technik wurde von der Firma Toyota Ende November/Anfang Dezember 2010 der Weltöffentlichkeit vorgestellt. Dabei besteht jede galvanische Zelle aus vier Lagen, die jeweils eine positive und eine negative Elektrode sowie einen festen Elektrolyten beinhalten. Jede Lage ist beschichtet und liefert eine Potentialdifferenz von 3,6 Volt. An der einzelnen galvanischen Zelle liegen dementsprechend 14,4 Volt an. Die Elektroden und Elektrolyte bestehen aus Lithium-Cobalt-Dioxyd (positive Elektrode) sowie Graphit (negative Elektrode) und Sulfiden (Elektrolyt). Vorteilhaft an der neuen Technik ist die Hitzebeständigkeit des Feststoff-Elektrolyts; der Elektrolyt kann weder kochen noch brennen. Die galvanischen Zellen bedürfen keiner aufwendigen Kühlung, was weniger Platzbedarf bei gleicher Leistung bedeutet.


Quelle: Wikipedia