Batterietechnik

Die Batterie (auch Akkumulator genannt) in einem Elektrofahrzeug dient der Speicherung der Energie, die benötigt wird, um eine entsprechende Reichweite zu erzielen. Sie soll in Zukunft den Kraftstofftank ersetzen.

Als Batterien können Blei-Gel, Nickel-Metallhydrid und Lithium-Ionen Akkumulatoren eingesetzt werden. Die Batterietypen unterscheiden sich in der Energie- und Leistungsdichte, der Häufigkeit der Ladezyklen und im Preis pro kWh. Eine Lithium-Ionen Batterie ist doppelt so teuer wie ein Blei-Gel-Akku, kann dafür aber mehr als das Vierfache an Energie speichern.

Eigene Darstellung in Anlehnung an Fraunhofer Institut

Die Vorteile der Lithium-Ionen-Akkus überwiegen deutlich und präferieren zum heutigen Stand der Technik ihren Einsatz in Elektrofahrzeugen. Reichweiten von 100-150 km für den täglichen Bedarf im Stadtverkehr rechtfertigen den Einsatz dieses umweltfreundlichen Alternativantriebs.

Spannung

Die Spannung beschreibt die mittlere Spannung an der Batterie während der Entladung mit einer niedrigen Stromstärke. Der Wert wird vom Hersteller auf dem Akkumulator angegeben (z.B. Ni/Cd = 1,2 Volt pro Zelle). Ein Lithium-Ionen-Akku liefert eine Nennspannung von 3,6 Volt, die damit rund dreimal so hoch wie die eines Nickel-Metallhydrid Akkus ist. Die Ladeschlussspannung liegt bei bis zu 4,2 Volt. Die Entladeschlussspannung beträgt 2,5 Volt; eine Tiefentladung führt zu irreversibler Schädigung und Kapazitätsverlust. Die Zellenspannung hängt jedoch vom verwendeten Kathodenmaterial ab.

Entladeschlussspannung

Die Entladeschlussspannung gibt die untere Spannungsgrenze einer Zelle oder Batterie an, bis zu welcher sie entladen werden darf. Das Unterschreiten dieser Grenzspannung (Tiefentladung) kann bei verschiedenen Batteriearten (z.B. Blei, Ni/Cd, NiMH) zur Beeinträchtigung oder durch Umpolung, zur Zerstörung der elektrochemischen Zelle führen.

Energiedichte

Energiedichte bezeichnet in der Physik die Verteilung von Energie E auf eine bestimmte Größe X. Die Energiedichte von LI-Akkus ist mehr als doppelt so hoch wie beispielsweise die des Nickel-Cadmium-Akkus und liegt bei 90–190 Wh/kg.

Laden von Batterien

Man kann Akkus je nach Bauart und Hersteller auf folgende Arten laden:
C = Nennkapazität der Zelle

1. Normalladen
Ladestrom = 0,1 C | Ladezeit 12-16 Stunden
Überladung unkritisch

2. Beschleunigtes Laden
Ladestrom = 0,2 – 0,5 C | Ladezeit 3-6 Stunden
um Überladung zu verhindern, mit Timer abschalten

3. Schnelladen
Ladestrom = 0,5 – 2,0 C | Ladezeit 1-3 Stunden
um Überladung zu verhindern, mit Timer, Temperatursensor oder spannungsabhängig abschalten

4. Ultraschnellladen
Ladestrom = ca. 6 C | Ladezeit bis 15 Minuten
Die Abschaltautomatik ist dabei nicht im Ladegerät, sondern direkt im Akku integriert.

5. Erhaltungsladung
Ladestrom = 0,03 C

Memory-Effekt

Der Memory-Effekt tritt insbesondere bei gesinterten Nickel-Cadmium-Akkus auf. Der Akku registriert den jeweiligen Aufladezustand und lädt sich nur bis zu der Kapazität auf, die vorher für eine Entladung benötigt wurde. Man erkennt den Memory-Effekt an einem immer schnelleren Spannungsabfall und häufigerem Nachladen. Die nutzbare Kapazität des Akkumulators verringert sich zunehmend. Bei Nickel-Metallhybrid-Akkus spricht man vom Batterieträgheitseffekt (siehe unten). Lithium-Ionen-Akkus weisen keinen dieser Effekte auf.

Batterieträgheitseffekt

Er beschreibt den Vorgang des Spannungsabfalls, der entsteht, wenn eine Batterie vor dem Wiederaufladen nicht vollständig entladen wurde. Im Ergebnis wird durch die herabgesetzte Spannung während des Entladens eine geringere Leistungsabgabe erzielt.

Pflege und Wartung

Für eine hohe Haltbarkeit von Batterien sind verschiedene äußere Einflüsse entscheidend. Eine Nutzung bei einer Temperatur von 20 Grad ist ideal. Temperaturextreme schaden der Batterie ebenso, wie häufige Tiefentladungen. Lithium-Ionen-Akkus altern erheblich bei Nichtbenutzung und erliegen einem umso höheren Kapazitätsverlust, je wärmer und voller die Batterien gelagert werden. Eine schonende Lagerung findet bei 15-18 Grad und halber Entladung statt.

Lebensdauer

Batterien altern permanent. Das wird deutlich durch den Verlust von Kapazität, der infolge von wiederholtem Gebrauch oder zeitbedingt auftritt. Batteriehersteller definieren die Zahl der Lade- und Entladezyklen mit ca. 80% der Nennkapazität als Betriebsdauer. Lithium-Ionen-Akkus können bis zu 1.000 mal aufgeladen werden. Chemische Änderungen des Elektrolyten und der Oxidation der Elektroden sind die Hauptursache für die Alterung. Die Haltbarkeit wird bei Idealbedingungen auf eine Zeit von 2-5 Jahren kalkuliert.

Forschung / Ausblick

Das Fraunhofer Institut forscht an der Entwicklung von Batterien. Ziel ist die Akkus leichter und kostengünstiger zu produzieren. Die Lebensdauer soll auf die durchschnittliche Lebensdauer eines Kraftfahrzeuges von 10 Jahren angehoben werden. Die nächste Generation von Lithium-Ionen Batterien mit Sauerstoff oder Schwefel soll in ca. 10 Jahren massentauglich sein.

Schon heute forscht man an der 100% recycelbaren Batterie auf Basis von Glukose (C6H12O6). Inspiriert von der Photosynthese der Pflanzen haben Forscher die sogenannte Zucker- oder Biobatterie entwickelt. Im Inneren der Batterie zerlegen Enzyme den Zucker in seine Bestandteile. Dabei werden Elektronen und Wasserstoff freigesetzt, der sich mit Sauerstoff aus der Luft zu Wasser verbindet. Ein Prototyp leistet bereits 50 Milliwatt und ist in der Lage einem MP3-Player Töne zu entlocken.