Energie durch Elektroauto-Batterien

Aufbau und Funktion des Akkus in E-Autos

 

 

Elektroautos werden von Jahr zu Jahr besser, die Leistung des Elektroantriebs steigt, die Reichweiten werden größer und so wächst die Anzahl der möglichen Kilometer. Dadurch gewinnt die Elektromobilität an Popularität und könnte in der Zukunft die Verbrenner ablösen. Bereits jetzt bieten Elektroautos Vorteile gegenüber Standardautos. Dazu gehört auch die Batterie, die unter anderem günstiger geladen werden kann. Der Aufbau und die Funktionsweise von Elektroautos wirkt im Gegensatz zu Verbrenner eher einfach. Weniger Komponenten spielen eine Rolle, dadurch scheint das Zusammenspiel nicht so komplex. Neben dem Elektromotor ist der Akku bzw. die Batterie des Elektroautos der wichtigste Bauteil. Durch den Motor wird elektrische Energie in Bewegungsenergie umgewandelt und das E-Auto fährt. Doch ohne die Energie würde diese Technik nicht funktionieren. Daher wird in diesem Ratgeber der Energielieferant Elektroauto-Batterie genauer betrachtet. Welche Batterien werden für Elektroautos verwendet, wie funktionieren sie, welche Lebensdauer ist zu erwarten und welche Kapazitäten können sie aufbringen?

 

Akku für Elektroauto als teuerster Bauteil

Die Kosten für ein E-Auto übersteigen aktuell zum Zeitpunkt der Anschaffung noch die Kosten der meisten Verbrenner. Dabei können bis zu 40 Prozent des Preises auf den Akku zurückgeführt werden. Damit ist der Akku für ein Elektroauto der größte und der teuerste Bauteil. Bei einer Elektroauto-Batterie können Kosten zwischen 6000 und 20.000 Euro anfallen.

Diese Kosten entstehen durch die Leistung, die eine Batterie erbringen muss. Denn um Energiemengen von 15 bis 30 Kilowattstunde (kWh) zu erreichen, arbeiten mehrere Batteriemodule zusammen. Innerhalb der Module befinden sich Hunderte Zellen, für die Ressourcen benötigt werden. Auch die verwendeten Ressourcen wie Lithium oder Kobalt sind aktuell noch sehr teuer. Einige Hersteller bieten daher die Möglichkeit an, Elektroauto-Batterien zu mieten, anstatt sie zu kaufen.

 

Akku oder Batterie – was steckt in E-Autos?

Geht es um Elektroautos, fallen fast immer die Begriffe Akku und Batterie. Da stellt sich die Frage, was liefert denn den Strom zum Motor, der Akku oder die Batterie? Die Antwort ist – beide. Denn Batterie und Akku sind dasselbe, auch in E-Autos.

Batterie ist der Oberbegriff für Energiespeicher, wie sie auch in Elektroautos verwendet werden. Jeder Akku ist eine Batterie, jedoch nicht jede Batterie ein Akku. Der Unterschied liegt in der Wiederverwendbarkeit, denn Akkumulatoren (Akkus) können neu aufgeladen und weiter genutzt werden. Da die Batterie von Elektrofahrzeugen immer wieder mit Strom aufgeladen werden können, handelt es sich auch um einen Akku.

 

Welche Batterien werden für Elektroautos verwendet?

Dargestellt sind die einzelnen Akkumodule einer Lithium-Ionen-Batterie.

Theoretisch können für Elektroautos verschiedene Batterien genutzt werden. Möglich sind Feststoffbatterien, Redox-Flow-Batterie, Magnesium-Schwefel-Batterie oder Nickel-Metallhybrid-Batterien. Batterien wie die Feststoffbatterie scheitern an der Leistung oder auch an der Ladedauer, bereits nach wenigen Ladezyklen verlieren die Akkus an Kapazität. Aufgrund des geringen Gewichts und der höheren Leistung haben sich jedoch bei aktuellen E-Autos Lithium-Ionen-Batterien durchgesetzt. Bei dieser Batterieart besteht der Minuspol (Kathode) aus Lithium-Metalloxid und der Pluspol (Anode) aus Graphit.

 

Vorteile der Lithium-Ionen-Batterien Nachteile der Lithium-Ionen-Batterien

Kompakte Bauform

Aufwendiges Batteriemanagement

Geringes Gewicht

Hohe Produktionskosten

Hohe Energiedichte

Entzündlich – Kühlung nötig

Hohe Lebensdauer

 

Ein weiterer Nachteil dieser, aber auch vieler anderer Batterien, ist der Umweltaspekt. Um die Batterien herzustellen, werden Rohstoffe wie Lithium, Kobalt, Nickel, Grafit oder Mangan benötigt. Der Abbau dieser Rohstoffe steht schwer in der Kritik, denn in den Abbauländern entstehen große Umweltschäden und Fälle von Kinderarbeit. Einige Hersteller gehen dieses Problem an und kaufen die Rohstoffe aus Ländern mit einem höheren Umwelt- und Arbeitsschutz. Ebenfalls wird auch an Technologien geforscht, Batterien aus Rohstoffen wie Kunststoff herzustellen.

Aufgrund der verwendeten Rohstoffe ist das Recycling der Akkus nicht ganz einfach. Wie Sie vorgehen sollten, lesen Sie in unserem Ratgeber „E-Auto Batterie Recycling“.

Aufbau und Funktionsweise von Elektroauto-Batterien

Bei E-Autos hat sich das sogenannte Skateboard-Fahrgestell als effektiv erwiesen. Dieser Unterbau ist bereits fahrbereit und ermöglicht einen frei wählbaren Aufbau. In dieser Plattform befindet sich der Energiespeicher der Elektroautos. Alle Module des Akkus befinden sich in einem Grundträger, dem „Crashrahmen“, der die Bauteile vor Beschädigungen schützt. Kommen bei den Herstellern Lithium-Ionen-Batterien im Auto zum Einsatz, befindet sich in dem Rahmen ebenfalls ein Kühlsystem. E-Auto Batterie haben eine Größe bzw. ein Gewicht von 200 bis 700 Kilogramm, entscheidend ist jedoch Kapazität und die Energiedichte des Akkus.

Der Aufbau einer Elektroauto-Batterie kann nicht mit einer herkömmlichen Batterie verglichen werden, denn der Akku besteht so aus mehreren Batteriemodulen. In den Modulen befinden sich Zellen, die für den chemischen Vorgang der Stromproduktion sorgen.

Ein Akku besteht aus zwei Elektroden, der Kathode und der Anode, die durch ein Leitmedium, dem Elektrolyt, getrennt sind. Im Ruhezustand befinden sich mehr Elektronen an der Kathode als an der Anode, so entsteht die elektrische Spannung. Wird das Auto gestartet und der Motor muss mit Strom versorgt werden, wandern die überschüssigen Elektronen über ein Kabel von der Kathode zur Anode, dadurch fließt Strom. Strom ist nichts anderes als wandernde Elektronen, also negativ geladene Teilchen aus einem Atom. Im Fall der Lithium-Ionen-Batterien wandern Lithium-Atome von der Kathode zur positiven Anode, dort ist die Entladungsphase. Die Zellen der Batterien werden über einen speziellen Stromkreis überwacht.

Da es sich um einen Akku handelt, kann die verlorene Energie wieder aufgeladen werden. Beim Laden an einer Ladestation passiert der gegenteilige Prozess, die zugeführte Energie bewirkt, dass die Elektronen von der positiven Anode zu der negativen Kathode wandern.

 

Die Grafik zeigt ein schemenhaftes Modell eines E-Autos, welches die Position des Akkus erkennen lässt.

Was beeinflusst die Kapazität der Elektroauto-Batterien?

Zusammen mit dem Stromverbrauch spielt die Kapazität einer Elektroauto-Batterie eine Rolle in der möglichen Reichweite des E-Autos. Grundsätzlich gilt: Je größer die Kapazität des Akkus, desto größer auch die Reichweite. Sie sagt aus, wie groß die Menge an Strom ist, die der Akku speichern kann. Bei Elektromobilität wird die Kapazität meist in Kilowattstunden (kWh) angegeben. Die aktuell größte Elektroauto-Batterie kann 100 kWh speichern. Je nach Modell und Verbrauch erreichen Elektroautos mit einer Akkuladung Reichweiten zwischen 400 und 600 Kilometern.

Die Kapazität bestimmt sich aus der Anzahl, der Größe und der Art der in der Batterie befindlichen Zellen. Damit die Reichweiten der Fahrzeuge gesteigert werden können, wollen die Hersteller die Energiedichte in Elektroauto-Batterie in der Zukunft erhöhen. Die Energiedichte einer Lithium-Ionen-Batterie gibt an, wie viel Energie in einem Kilogramm gespeichert werden kann. Brennstoffe wie Benzin weisen eine Energiedichte von 12.000 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg) auf. Lithium-Ionen-Batterie hingegen nur ca. 100 Wh/kg. Das bedeutet, die in E-Autos verbauten Akkus haben ein geringeres Gewicht bei gleicher Ladung Energie. Steigt die Energiedichte, können mehrere Zellen bei gleichem Platz untergebracht werden, das steigert die Kapazität der Batterie.

Lebensdauer der Elektroauto-Batterien steigern

Nimmt die Kapazität der Elektroauto-Batterie im Laufe der Jahre ab, mindert das den Wert, die Leistung und die Reichweiten werden geringer. Einen neuen Akku einbauen zu lassen, ist sehr kostspielig, daher sollte schonend mit der Elektroauto-Batterie umgegangen werden, das erhöht die Lebensdauer. Beachtet man beim Aufladen der Batterie, bei der Fahrweise und der Unterbringung des Fahrzeugs einige Aspekte, dies kann auch zu einer längeren Lebensdauer bei hoher Kapazität der E-Auto-Batterien führen.

  1. Schonendes Aufladen der Batterie: Extreme Ladestände strapazieren den Akku, deshalb sollte nicht gewartet werden, bis der Ladestand bei 0 Prozent ist und auch Vollladungen sollten vermieden werden.
  2. Schnarchladungen anstatt Schnellladevorgänge: Langsames Aufladen führt zu einer höheren Lebensdauer. Besonders, wenn E-Autos Zuhause laden, bieten sich Schnarchladungen an.
  3. Moderate Fahrweise: Vor allem bei kalten Motor wirkt sich häufiges starkes Beschleunigen und Abbremsen negativ aus.
  4. Temperaturen beachten: Hohe und sehr niedrige Temperaturen beeinträchtigen die Batteriekapazität des Fahrzeugs. Bei hohen Temperaturen sollte das Auto im Schatten stehen, bei niedrigen Temperaturen geschützt, z. B. in einer Garage.
  5. Bei langen Standzeiten sollte der Akku eine mittlere Akkuladung aufweisen.
  6. Regelmäßige Wartungen: Mindestens einmal im Jahr sollte ein E-Auto gewartet werden.

Durch das Beachten dieser Tipps kann die Batterieleistung von Elektroautos geschont werden und die Lebensdauer des Fahrzeug-Herzstücks steigt.