Artikelserie Elektroauto-Batterien: Der aktuelle Stand bei den Batterien
Der erste Teil der Serie soll zeigen, wo die hochlaufende Batterietechnik heute steht. Zunächst die wichtigsten Begriffe zum Kern des Themas, der Zellchemie.
- Christoph M. Schwarzer
(This article is also available in English)
Über viele Jahrzehnte stand bei der Weiterentwicklung des Antriebsstrangs in Autos der Motor im Fokus. Mit der Umstellung auf den batterieelektrischen Antrieb verschiebt sich das, denn nun steht die Batteriezelle im Mittelpunkt des Interesses. Global werden aktuell riesige Summen investiert, um hier Fortschritte zu erreichen. Energiedichte, Haltbarkeit, Ladeleistung und vor allem die Kosten sind es, die optimiert werden müssen, wenn der batterieelektrische Antrieb überall auf der Welt eine Chance haben soll.
In einer Artikelserie wollen wir zeigen, wo wir heute stehen und wohin die Entwicklung geht. Den politischen Rahmen hat die Europäische Union gesetzt: Ab 1. Januar 2035 dürfen ausschließlich Pkw neu zugelassen werden, die keine direkten CO₂-Emissionen haben. Nach heutiger Einschätzung werden das weitestgehend batterieelektrische Autos sein. Weil die Industrie nicht einfach ein- und ausgeschaltet werden kann, wird es in den knapp zwölf Jahren bis zum Stichtag einen kontinuierlichen Hochlauf geben.
Klären wir zunächst einige Begriffe: Die Traktionsbatterie liefert die elektrische Energie für den Antriebsmotor. Sie speichert zugleich den Strom, der beim Verzögern und Bremsen zurückgewonnen wird. Das ist die Rekuperation. Elektroautos haben neben der Traktionsbatterie eine Bordnetzbatterie auf einer niedrigeren Spannungsebene zur Versorgung des Fahrlichts und anderer Verbraucher.
Das Batteriesystem als tragendes Karosserieteil
Im Batteriesystem eines Elektroautos werden die einzelnen Zellen zusammengefasst. Derzeit gibt es meistens noch eine technisch überflüssige Zwischenebene, das Modul, in dem mehrere Zellen – zum Beispiel zwölf – integriert sind. Das Modul gibt es nur, weil es eine für die Autoindustrie leicht handhabbare Einheit ist. Einige chinesische Hersteller wie CATL oder BYD bauen die Zellen direkt ins crashsichere Gehäuse.
Diese Methode wird Cell-To-Pack (CTP) genannt. Wenn das Gehäuse des Batteriesystems zugleich ein (tragendes) Teil der Karosserie ist, spricht man von Cell-To-Body (CTB) oder auch Cell-To-Chassis (CTC). Eine Namensordnung gibt es nicht, sondern letztlich nur eigene Bezeichnungen der Hersteller.
Für die Sicherheit und die Dauerhaltbarkeit der Batteriezellen ist das Temperaturmanagement elementar. Das erfolgt zum einen aktiv – im besten Fall über leistungsstarke Heiz- und Kühlkreisläufe – und zum anderen passiv: Lade- und Entladestrom werden per Software geregelt.
(Bild: Audi)
Die Steuerung per Software passiert im Batteriemanagementsystem. Neben den genannten Aufgaben ist es für den Ladehub zuständig: Vom maximalen Energieinhalt wird nur ein Teil freigegeben. Praktisch nutzen die meisten Traktionsbatterien nur 80 oder weniger Prozent des maximalen Energieinhalts. Sie laden beispielsweise von einem Stand (gebräuchliche Abkürzung SOC für State-Of-Charge) von zehn bis zu 90 Prozent. Der Fahrer bemerkt davon nichts; für ihn ist nur relevant, welcher Netto-Energieinhalt tatsächlich zur Verfügung steht – und nur diese Energiemenge wird ihm angezeigt.
C-Rate als Vergleichsgröße für die Ladegeschwindigkeit
Um die Ladegeschwindigkeit von Elektroautos mit unterschiedlichem Energieinhalt vergleichen zu können, ist der Begriff C-Rate geläufig. 1C bedeutet, dass die Traktionsbatterie in einer Stunde komplett ge- oder entladen ist. Wenn ein Elektroauto das in einer halben Stunde schafft, spricht man von 2C und so weiter. Die Hersteller geben häufig Minutenzahlen an wie "30 Minuten für fünf bis 80 Prozent" SOC. Hier hilft der Dreisatz: Dieser Zeitraum entspricht bei diesem Ladehub einer C-Rate von 1,5.
Hintergrund zum Thema
Die C-Rate: Mit welcher Ladeleistung in Elektroautos gerechnet werden darf
Schauen wir auf den Kern, die Zelle: Im grundsätzlichen Aufbau ähneln sich die heutigen Lithium-Ionen-Zellen stark. Der Ladungstransport passiert über Lithium-Ionen im flüssigen Elektrolyt zwischen Anode und Kathode.
An der Anode kommt fast nur Grafit zum Einsatz, hier liegt ein großes Potenzial zur Optimierung der volumetrischen und gravimetrischen Energiedichte, also dem Maß für die Kilowattstunden pro Liter Bauraum und pro Kilogramm. Wir gehen im zweiten Teil näher auf die Anode ein. Was es bereits in Einzelfällen wie etwa dem Porsche Taycan (Test) gibt, ist eine Beimischung von Silizium zur Grafitanode im kleinen einstelligen Prozentbereich.