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Wiki: Elektroauto-Batterie.

Aufbau, Funktion und Zukunft der E-Auto Akkus.

Herzstück des Elektroautos: die Batterie.

 

Die Elektromobilität gewinnt immer mehr Popularität und hat damit Potenzial, den Verbrennungsmotor in Zukunft abzulösen. Dass Elektroautos auf der Überholspur sind, hängt vor allem damit zusammen, dass die Leistung der neu entwickelten Elektroantriebe stetig steigt und sich dadurch Vorteile gegenüber klassischen Verbrennerautos ergeben. Vor allem der Akku beziehungsweise die Batterie des E-Autos wird anhaltend weiterentwickelt, sodass mehr Leistung, höhere Reichweiten und schnellere Ladezeiten möglich werden. Erfahren Sie hier, welche Batterien für E-Autos verwendet werden, wie sie funktionieren und welches Zukunftspotenzial sie bieten.

Batterie oder Akku: Was steckt drin?

Beim Thema Elektromobilität fällt schnell der Begriff Akku beziehungsweise Batterie – kein Wunder, denn der Akku beziehungsweise die Batterie versorgt den Elektromotor mit Energie und ist somit eines der wichtigsten Bauteile des Elektroautos.

Aber ist es nun ein Akku oder eine Batterie, die dem Motor seinen Strom liefert? Im Prinzip ist beides richtig, denn das Wort Batterie ist ein Oberbegriff für Energiespeicher – und ein Akku ist ein Energiespeicher. Somit ist jeder Akku gleichzeitig auch eine Batterie. Allerdings ist eine Batterie nicht zwingend auch ein Akku. Der Unterschied: Ein Akku ist immer wiederverwendbar, kann also neu aufgeladen und weiter genutzt werden. Das gilt für Batterien nicht immer – hier gibt es auch Modelle, die nicht aufgeladen werden und entsprechend nicht wiederverwendet werden können.

Da die Batterie eines Elektroautos immer wieder mit Strom aufgeladen werden kann, ist sie auch ein Akku. Wenn es um Elektroautos geht, bedeuten die Begriffe Batterie und Akku also dasselbe.

Aufbau und Funktion von E-Auto-Batterien.

Aufbau eines Elektroautos

Die Batterie beziehungsweise der Akku befindet sich bei den meisten Elektrofahrzeugen im Unterbau. Dieses sogenannte Skateboard-Fahrgestell hat sich bewährt, da es einen frei wählbaren Aufbau der Karosserie ermöglicht. In dieser Plattform im Unterbau befinden sich alle Module des Akkus in einem Träger, der die Bauteile vor Beschädigungen schützt. Dieser Träger wird deshalb auch als Crashrahmen bezeichnet. Je nach Art der verwendeten Batterien befindet sich auch ein Kühlsystem im Crashrahmen.

Ein Elektroauto-Akku besteht aus mehreren Modulen, in denen sich einzelne Batteriezellen befinden. Innerhalb der Zellen sorgen chemische Vorgänge für die Stromproduktion:

Eine Batteriezelle besteht aus zwei Elektroden – der Kathode und der Anode. Kathode und Anode sind innerhalb der Batteriezelle getrennt, werden aber über ein Leitmedium in Form von flüssigen Elektrolyten miteinander verbunden.

Im Ruhezustand des Akkus haften mehr Elektronen an der Kathode als an der Anode. Damit ist eine elektrische Spannung vorhanden. Wird der Motor des Elektrofahrzeugs gestartet, wandern die Elektronen über den Elektrolyten von der Kathode zur Anode und es fließt Strom – denn Strom ist im Prinzip nichts anderes als wandernde Elektronen. Der hier erzeugte Strom wird dem Motor zur Verfügung gestellt. Dieser wandelt die elektrische Energie in Bewegungsenergie um – das Auto fährt.

Beim Laden des Akkus passiert der umgekehrte Prozess: Mithilfe der zugeführten Energie wandern die Elektronen von der Anode zurück zur Kathode.

Die Anzahl, Größe und Art der sich im Akku befindlichen Zellen bestimmt die Kapazität des Akkus. Je größer die Kapazität, desto mehr Strom kann der Akku speichern und desto höher ist auch seine Reichweite. Die Kapazität von Elektroauto-Batterien wird in Kilowattstunden angegeben. Neben der Kapazität des Akkus ist auch seine Energiedichte entscheidend für die Reichweite einer Akkuladung: Sie gibt an, wie viel Energie in einem Kilogramm des verwendeten Materials gespeichert werden kann. Je höher die Energiedichte eines Materials ist, desto weniger wird davon benötigt – es können also mehr Zellen bei gleichen Platzverhältnissen untergebracht werden. Eine hohe Energiedichte steigert also auch die Kapazität des Akkus.

Diese Batterien kommen für E-Autos infrage.

Theoretisch gibt es verschiedene Arten von Batterien, die für Elektrofahrzeuge genutzt werden können. Praktisch kommen aber nur diejenigen zum Einsatz, die die meisten Vorteile für Leistung, Reichweite und Ladevorgänge einbringen.

In aktuellen Elektrofahrzeugen werden meist Lithium-Ionen- oder Lithium-Polymer-Akkus verbaut. Der Unterschied zwischen diesen Varianten liegt im Material des verwendeten Elektrolyten: Beim Lithium-Ionen-Akku wird eine Elektrolyt-Flüssigkeit genutzt, die bei Lithium-Polymer-Akkus durch ein Gel aus Polymer-Kunststoff ersetzt wird. Dadurch lassen sich Lithium-Polymer-Akkus in beliebigen Formen bauen – im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Akkus ist hier das Laden aber komplizierter und die Akkus sind temperaturempfindlicher.

Der Vorteil an beiden Lithium-Akku-Varianten ist, dass diese Batterien sehr leistungsfähig sind, eine hohe Lebensdauer besitzen und zudem ein geringes Gewicht mitbringen. Aufgrund dieser Vorteile werden sie aktuell in den meisten Elektrofahrzeugen verbaut.

Allerdings haben sowohl Lithium-Ionen- als auch Lithium-Polymer-Akkus einige Nachteile: Mit der hohen Reaktionsfreudigkeit von Lithium werden Akkus aus diesem Material auch leicht entzündlich – ein komplett luftdichter Einschluss der Batteriezellen ist essenziell, damit kein Brand entsteht. Auch eine ständige Kühlung der Akkus ist hier notwendig.

Neben hohen Produktionskosten ist bei Lithium-Akkus auch die Rohstoffgewinnung aus Umwelt- und Menschenrechtsgründen problematisch: In den Abbauländern entstehen große Umweltschäden und der Abbau erfolgt in primitiven, ungesicherten Minen – außerdem ist Kinderarbeit hier keine Seltenheit.

Die Feststoffbatterie oder auch Festkörperbatterie kommt ohne flüssige Elektrolyte aus. Diese Batterien können also nicht auslaufen oder in Brand geraten. Entsprechend sind sie weniger temperaturempfindlich und benötigen keine besonders hohen Schutzmaßnahmen.

Feststoffbatterien werden aber aktuell nicht in Elektroautos verbaut, da ihre Ladedauer viel zu hoch ist. Außerdem verlieren diese Akkus schon nach wenigen Ladezyklen viel Kapazität. Sie sind deshalb nicht besonders effizient. Außerdem wird auch für Feststoffbatterien Lithium benötigt, dessen Abbau die Umwelt belastet.

Die Bezeichnung Redox setzt sich aus den Begriffen Reduktion und Oxidation zusammen – also der Elektronenabgabe und der Elektronenaufnahme. Bei dieser Art Batterie werden als Leitmedium zwischen den Elektronen flüssige Elektrolyte verwendet, die aber in jeweils unabhängigen Kreisläufen fließen. Der Austausch der Elektronen und damit die Stromerzeugung finden hier über eine Membran zwischen den Elektrolyt-Kreisläufen statt.

Redox-Flow-Batterien sind zwar sehr sicher, leistungsstark, umweltfreundlich und haben eine hohe Lebenserwartung – dafür sind sie bisher aber nicht besonders kompakt. Um mit ihnen ein Fahrzeug anzutreiben, ist eine Redox-Flow-Batterie in der Größe einer Garage nötig. Entsprechend kommen diese Akkus (noch) nicht als Stromerzeuger für Elektroautos infrage.

Lithium-Schwefel-Batterien weisen eine höhere Energiedichte auf als Lithium-Ionen-Akkus. Das bedeutet, dass für die gleiche Leistung entweder kleinere Akkus verwendet werden können, oder dass ein Lithium-Schwefel-Akku bei gleicher Größe etwa doppelt so viel Leistung in Kilowattstunden erbringen kann wie ein Lithium-Ionen-Akku.

Der Vorteil an Lithium-Schwefel-Batterien ist seine Sicherheit – Schwefel ist unter anderem weniger giftig als andere Kathodenmaterialien. Außerdem ist Schwefel ein günstiges Material, da er zum Beispiel als Abfallprodukt in der Ölindustrie entsteht und hier weiterverwertet werden kann.

Wegen ihres entscheidenden Nachteils kommen Lithium-Schwefel-Akkus bisher aber ebenfalls nicht in Elektroautos zum Einsatz: Sie sind zu groß und ihre Kapazität sinkt nach wenigen Ladezyklen auf nahezu null.

Die Lithium-Sauerstoff-Batterie setzt Energie aus der Reaktion zwischen Lithium und Sauerstoff frei. Die Technologie dieser Variante steckt allerdings noch in den Kinderschuhen: Die chemischen Abläufe sind bislang unzureichend erforscht, womit die Sicherheit dieser Akkus noch nicht eingeschätzt werden kann. Relevante Forschungsergebnisse hierzu werden erst in einigen Jahren vorliegen.

In der Theorie können Lithium-Sauerstoff-Batterien eine viel größere Energiespeicherung und -abgabe ermöglichen als aktuelle Lithium-Ionen-Akkus. Jedoch ist die Produktion dieser Akkus bisher sehr aufwendig und die Lebensdauer wegen auftretender Korrosion gering.

Die Natrium-Ionen-Batterie stellt eine Alternative dar, die ohne Lithium auskommt. Statt Lithium wird hier also Natrium als Elektrode verwendet. Von Vorteil bei der Verwendung von Natrium ist die leichtere Verfügbarkeit und Nachhaltigkeit, die bessere Umweltverträglichkeit und die höhere Temperaturbeständigkeit – so behalten Natrium-Ionen-Batterien auch bei sehr niedrigen Temperaturen ihre volle Leistung.

Allerdings steckt auch die Entwicklung von Natrium-Ionen-Akkus noch in den Kinderschuhen: Aktuell hängt die Entwicklung vor allem an der geringen Energiedichte dieser Akkuvariante – die Leistung in Kilowattstunden liegt noch deutlich unter der Leistung von Lithium-Ionen-Akkus. Kann die Energiedichte in Zukunft aber deutlich verbessert werden, haben Natrium-Ionen-Batterien ein hohes Potenzial, um als leistungsstarke Akkus in Elektrofahrzeugen verbaut zu werden.

Bei dieser Batterieart würde das umstrittene Lithium durch das leicht verfügbare Material Magnesium als Elektrode abgelöst werden. Die Magnesium-Schwefel-Batterie verspricht eine sehr hohe Energiespeicherdichte bei geringem Gewicht. Allerdings ist auch die Magnesium-Schwefel-Batterie derzeit noch Zukunftsmusik: Trotz potenziell hohem Energiespeicher kann die Energie derzeit noch nicht effizient genutzt werden. Außerdem haben Magnesium-Schwefel-Akkus bislang noch mit hoher Abnutzung zu kämpfen, womit sie nicht besonders langlebig sind.

Die Nickel-Metallhydrid-Batterie gilt als veraltet, weil ihr hartnäckig der gefürchtete Memory-Effekt anhängt: Wird der Akku nicht vollständig entladen, bevor er wieder aufgeladen wird, speichert der Akku den Energiebedarf des letzten Ladevorgangs und lädt nur noch diese Energiemenge auf.

Bei modernen Nickel-Metallhydrid-Batterien kommt der Memory-Effekt aber in der Regel nicht mehr vor. Dennoch hat der Nickel-Metallhydrid-Akku eine hohe Selbstentladungsrate, was ihn für die Verwendung in E-Autos unattraktiv macht. Bisherige Modelle können zwar viel Energie speichern, aber nur etwa die Hälfte davon auch wieder abgeben und dem Elektromotor zur Verfügung stellen.

Da eine Nickel-Metallhydrid-Batterie grundsätzlich aber sehr robust und temperaturbeständig ist, sich schnell aufladen lässt und ohne giftige Schwermetalle auskommt, kann sie bei entsprechender Weiterentwicklung noch eine Chance auf Verwendung in Elektrofahrzeugen bekommen – sofern die Nachteile dieser Akkuvariante ausgemerzt werden können.

Batterie schonen und Strom sparen.

Der Akku ist das Herzstück des Elektroautos und damit auch sein teuerstes Bauteil. Es lohnt sich deshalb, den Akku sorgsam zu behandeln, um für eine lange Lebensdauer mit hoher Kapazität zu sorgen.

Was ist beim Laden zu beachten?

Der sorgsame Umgang mit der Batterie eines Elektrofahrzeugs beginnt bereits beim Ladevorgang. So sollten Sie den Akku keinesfalls erst dann laden, wenn er komplett leer – also bei 0 % – ist. Dieser Ladezustand strapaziert die Batteriezellen sehr und verringert deren Lebensdauer. Es empfiehlt sich, den Ladestand immer zwischen 20 % und 80 % zu halten. Ist der Akku einmal komplett aufgeladen, sollte bald auch wieder Energie verbraucht werden, um die Batterie zu schonen.

Bedenken Sie außerdem, dass Schnellladevorgänge den Akku wesentlich mehr beanspruchen als sogenannte Schnarchladungen. Bei Schnarchladungen wird mit maximal 3,5 Kilowattstunden geladen. Der Ladevorgang dauert zwar wesentlich länger als bei einer Schnellladung, dafür wird der Akku aber viel schonender mit Energie versorgt, was sich positiv auf seine Lebensdauer auswirkt. Wenn Sie das Elektroauto nicht schnellstmöglich wieder benötigen, bietet sich eine Schnarchladung an – beispielsweise über Nacht.

Wenn die Außentemperaturen niedrig sind, ist es empfehlenswert, den Akku direkt nach der Fahrt wieder aufzuladen. Dann ist die Batterie noch nicht ausgekühlt und wird beim Laden weniger belastet.

Lebensdauer des Akkus steigern.

Wenn die Kapazität einer Elektroauto-Batterie abnimmt, werden Leistung und Reichweiten geringer – außerdem vermindert sich der Wert des Elektroautos. Da der Einbau eines neuen Akkus beim E-Fahrzeug bislang recht teuer ist, lohnt es sich, schonend mit der Batterie umzugehen. Das können Sie tun:

Fahrweise.

Vermeiden Sie starkes Beschleunigen und Abbremsen nach Möglichkeit – vor allem zu Beginn der Fahrt, wenn der Akku noch kalt ist. Auch dauerhaftes Fahren bei Vollgas beansprucht den Akku stark.

Extreme Temperaturen.

Sowohl Hitze als auch Kälte haben einen negativen Einfluss auf die Kapazität der Batterie. Ein schattiger Parkplatz empfiehlt sich im Sommer, während im Winter ein geschützter Stellplatz wie eine Garage vorteilhaft ist.

Lange Standzeiten.

Wird das E-Auto für mehrere Tage nicht genutzt, sollte es an einem trockenen, geschützten Platz stehen und eine mittlere Akkuladung beibehalten. Ein Ladestand von etwa 60 % ist optimal – steht das Fahrzeug über mehrere Monate still, sollten Sie den Ladestand gelegentlich überprüfen und gegebenenfalls Strom nachladen.

Akkuwartung.

Halten Sie die Wartungsintervalle für die Batterie ein, um Beschädigungen zu vermeiden. Bei der jährlichen Inspektion prüft ein Fachbetrieb den Akku auf Verunreinigungen, Korrosion und mögliche Defekte.

Tiefentladung.

Achten Sie darauf, dass der Akku Ihres Elektroautos möglichst keine Tiefentladung erleidet: Laden Sie die Batterie am besten ab einem Akkustand von 20 % auf. Auch wenn das Auto länger steht, ist eine Tiefentladung schädlich für den Akku.

Austausch einzelner Batterie-Module.

Batterie

Der Akku ist das teuerste Bauteil eines Elektrofahrzeugs – entsprechend kostspielig kann der Austausch einer defekten Batterie werden. Um Kosten und Material zu sparen, ist es aber mittlerweile möglich, bei einem Defekt nicht direkt den gesamten Akku auszutauschen. Je nachdem, wo der Defekt liegt, können Fachbetriebe auch einzelne Module der Batterie entnehmen und ersetzen, sodass der gesamte Akku wieder funktionsfähig ist.

Dabei wird das Batteriepaket in der Regel aus dem Auto ausgebaut und das luftdicht verschlossene Akkugehäuse vorsichtig geöffnet. Dann müssen die Stromkreise der Batterie unterbrochen werden, bevor einzelne Module zum Austausch entnommen werden können. Bevor das Ersatzmodul eingebaut werden kann, muss es zunächst auf die Spannungslage der anderen Module in der Batterie angepasst werden, damit alles reibungslos läuft. War der Austausch erfolgreich, wird das Batteriepaket wieder an seinem Platz im Auto eingebaut.

E-Auto-Batterie: Ausblick und Weiterentwicklungspotenzial.

Akkus sind das zentrale Element der Elektromobilität – und in ihrer Entwicklung noch lange nicht ausgereift. Um die Energiespeicher für die Zukunft bereit zu machen, wird in verschiedenen Bereichen geforscht: an den Batteriezellen, dem verwendeten Material, der Produktion, der Kühlung und den Lademöglichkeiten. Der Fokus liegt dabei auf der Verbesserung der Effizienz und der Umweltverträglichkeit – damit Elektromobilität schon bald den Verbrennungsmotor mit seiner schlechten CO2-Bilanz ablösen kann und wir in eine grüne Zukunft blicken können.

An diesen Aspekten wird geforscht:

Temperaturempfindlichkeit.

Aktuell sind die meisten E-Auto-Akkus temperaturempfindlich – ihre Leistung verringert sich bei extremen Temperaturen, vor allem bei Kälte. Auch ein Aufladen bei geringen Temperaturen vertragen die Batterie bisher nicht so gut. Ein Forschungsansatz ist hier, die Verlustwärme, die der Elektroantrieb produziert, nutzbar zu machen. Diese Wärme soll dem Akku in Zukunft zugeführt werden können, damit er vor kalten Temperaturen geschützt ist und keine Leistung einbüßt.  

Kühlung der Akkus.

Viele der derzeitigen Akkus sind leicht entzündlich und erhitzen sich beim Aufladen, sodass eine Kühlungsfunktion notwendig ist – weil ständig gekühlt werden muss, ist die Geschwindigkeit beim Aufladen des Akkus begrenzt. Hier wird aktuell an der sogenannten Immersionskühlung geforscht: Bei dieser Art der Kühlung umschließt eine wärmeleitende, aber nicht elektrisch leitfähige Flüssigkeit den Akku. Wenn diese Technik ausgereift ist, könnten E-Autos noch deutlich schneller und sicherer aufladen.

Ladeleistung.

Wenn die Batterien der Elektrofahrzeuge effizient gekühlt werden können, lässt sich auch die Ladeleistung steigern und die Ladezeit deutlich verringern – so sollen Stromtankstellen in Zukunft bis zu 750 Kilowatt leisten können. Da das Stromnetz aber nicht unendlich belastbar ist, wird daran gearbeitet, die Lastverteilung intelligent aufzuteilen, sodass möglichst viele E-Autos gleichzeitig mit hoher Leistung geladen werden können.

Lebensdauer.

Aktuelle E-Auto-Akkus haben eine bestimmte Lebensdauer – meist gibt der Hersteller an, wie viele Ladezyklen möglich sind, bevor die Kapazität des Akkus deutlich sinkt. Mit Verbesserung der Speicherkapazität und der Ladeleistung soll auch die Anzahl der Ladezyklen deutlich erhöht werden. Die Lebensdauer des Akkus und damit die Laufleistung des Elektroautos können dadurch enorm gesteigert werden.

Ladeinfrastruktur.

Damit E-Mobilität alltagstauglich wird, müssen Stromladestellen flächendeckend zur Verfügung stehen. Da es bereits viele gute Konzepte wie Wallboxen und öffentliche Ladestationen gibt, muss hier weniger geforscht als vielmehr umgesetzt werden.

Speicherkapazität.

Damit mehr Energie gespeichert und somit Reichweiten erhöht werden können, wird permanent daran gearbeitet, die Speicherkapazitäten von E-Auto-Batterien zu steigern.

Rohstoffabbau.

Zur Herstellung von Batterien für Elektroautos werden derzeit Rohstoffe wie Lithium, Nickel und Kobalt benötigt. Der Abbau dieser Rohstoffe zieht teilweise erhebliche Umweltschäden nach sich und erfolgt nicht selten mithilfe von Kinderarbeit. Im Hinblick auf diese Problematik werden mehr und mehr Herstellungsverfahren erprobt, für die ausschließlich leichter verfügbare Rohstoffe wie Schwefel und Magnesium benötigt werden.

Umweltverträglichkeit.

Die Herstellung der E-Auto-Batterie verursacht derzeit den stärksten CO2-Ausstoß beim Bau eines Elektrofahrzeugs. Und auch hier spielen die Umweltschäden beim Abbau der Rohstoffe eine entscheidende Rolle. Die Nutzbarmachung alternativer, leichter verfügbarer Rohstoffe wird also auch einen enormen Fortschritt in Richtung Umweltverträglichkeit bedeuten.

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