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Aufbau eines E-Autos

Eine Frage der Reichweite

Die  Batterie, beziehungsweise der Akku, ist das Herzstück eines Elektroautos. Um kein anderes Bauteil wird ein ähnlich großer Bohei gemacht und kein anderes Bauteil hat einen größeren Einfluss darauf, wie man den Alltag mit einem Elektroauto bestreitet. Grund genug also, sich einmal genauer mit der Materie zu befassen. Wir erklären wie die Batterie eines Elektroautos funktioniert, wo der Unterschied zum klassischen Smartphone-Akku ist und mit welchen Technologien hier in Zukunft zu rechnen ist. Kurzum: Eine kleine Geschichte des Akkus.

Seine Produktion ist enorm umweltschädlich, die dafür aufgewendeten Rohstoffe enorm knapp und das alles für nur wenige hundert Kilometer Reichweite: Die Batterie eines Elektroautos polarisiert wie kaum ein anderes Fahrzeugteil. Dabei ist die Technik hinter dem Stromspeicher ganz einfach genial.

Aufbau einer Akkuzelle

Die im Elektroauto verbaute Batterie funktioniert im Prinzip genauso wie die deutlich kleinere Version im Smartphone. Nur die Dimensionen des mehrere hundert Kilo schweren Ungetüms sind gänzliche andere. Die Begriffe Batterie und Akkumulator, kurz Akku, werden synonym gebraucht. Es gibt jedoch einen Unterschied. Eine Batterie steht allgemein für einen elektrochemischen Energiespeicher, egal ob dieser wiederaufladbar ist oder nicht. Bei einem Akku handelt es sich hingegen immer um eine wiederaufladbare Batterie. Das bedeutet, nicht jede Batterie ist ein Akku, doch jeder Akku eine Batterie.

Ein Akku besteht aus zwei Elektroden, Kathode und Anode genannt. Die Kathode besteht in der Regel aus Lithium-Metalloxid und ist die sogenannte Lithium-Ionen-Quelle. Die Anode besteht meist aus Grafit und ist in der Lage, große Mengen an Lithium-Ionen aufzunehmen. Beide sind von einem leitenden Medium, dem sogenannten Elektrolyt umgeben. Je nach dem, welches Material hierfür verwendet wird, ist es fest oder flüssig.

Damit es zu keinem Kurzschluss kommt, müssen Kathode und Anode nun noch getrennt werden. Das ist Aufgabe des sogenannten Separators, der in der Regel aus einer Polymer- oder Keramikfolie besteht.

Be- und Entladen eines Akkumulators

Soweit der Aufbau eines Akkus, damit der aber auch Strom speichern und abgeben kann, braucht es Elektronen, die sich auf den Weg von der Kathode zur Anode (und umgekehrt) machen und dazwischenliegende Verbraucher, wie z.B. den E-Motor unseres Stromers antreiben können. Damit das klappt, muss an der Kathode ein Mangel (Pluspol) und an der Anode ein Überfluss an Elektronen (Minuspol) vorliegen. 

Wenn nun der Elektromotor über den Akku angetrieben wird, fließt durch ihn ein Strom aus negativ geladenen Elektronen, die vom Minuspol (Anode) gespeist werden. Parallel dazu fließen innerhalb der Batteriezelle die positiv geladenen Lithium-Ionen von der Anode zur Kathode, die Batterie wird dabei entladen. Hierfür müssen die Lithium-Ionen ihren Weg durch den Separator bahnen, der dafür sorgt, dass ausschließlich Ionen und keine Elektronen passieren können, denn das würde zu einem Kurzschluss im Zellinneren führen. Das Elektrolyt dient in diesem Fall als Reise-Vehikel der Lithium-Ionen. 


So funktionierts

Beim Aufladen läuft der Prozess umgekehrt ab: Innerhalb der Batteriezelle werden die positiv geladenen Lithium-Ionen von der Kathode zur Anode transportiert, während in Gegenrichtung über das Ladekabel die negativ geladenen Elektronen – also der Ladestrom – fließt. Nun kann das Spiel von Neuem beginnen.

Jedes Be- und Entladen geht natürlich nicht ganz spurlos am Akku vorbei, es bilden sich, je nach dem wie schonend man damit umgeht, innerhalb der Zelle Kristalle, sogenannte Dendriten. Im schlimmsten Fall beschädigen die Dendriten den Separator und es kommt zum Kurzschluss und somit zur Zerstörung der Zelle. 

Was man beim Thema Verschleiß aber unterm Strich festhalten kann: Der Akku eines Elektroautos verschleißt bei Weitem nicht so schnell wie der eines Smartphones. Den exakten Zeitpunkt, zu dem der Akku tatsächlich unbrauchbar, also „platt“ ist, kann man ohnehin schwer bestimmen, der Prozess ist schleichend.

Beträgt der Kapazitätsverlust 80% gilt der Akku der Traktionsbatterie als verbraucht und man sollte sich über einen Akkutausch Gedanken machen. Das ist in der Regel auch die Verschleißgrenze, die von den meisten Herstellern angegeben wird.

Bei modernen Elektroautos dauert es aber, bis diese Benchmark erreicht ist. Rund 2.500 – 3.000 Ladezyklen sind mit heutigen Akkus problemlos möglich, bevor man sich über das Thema Akkutausch Gedanken machen müsste. Das klingt nach einer überschaubar kleinen Zahl, rechnet man aber mit etwa 250 Kilometern, die pro Ladezyklus zurückgelegt werden, kommt man auf eine Laufleistung von 625.000 Kilometern.

Knapp 15 Erdumrundungen sind mit ein und derselben Batterie also möglich, bis die Verschleißgrenze erreicht ist. Der Wert variiert zwar, je nach dem wie schonend man mit dem Akku des Elektroautos umgeht, das kennt man aber bereits vom Verbrenner. Apropos Verbrenner: Bei dem ist in der Regel nach spätestens 300.000 Kilometern Schluss, eine kostenintensive Reparatur lohnt sich dann einfach nicht mehr. 

Dabei ist der Verbrennungsmotor größtenteils zu Ende entwickelt, das Elektroauto hingegen hat sein Potential längst noch nicht ausgeschöpft. Branchenprimus Tesla beispielsweise forscht gerade an einer Batterie, mit der über eine Million Kilometer zurückgelegt werden können sollen, bevor der Akku verschlissen ist. 

Dabei sind die Kalifornier längst nicht die Einzigen, die an solchen Super-Batterien forschen. Volkswagen tüftelt seit einiger Zeit gemeinsam mit Quantumscape an einer Feststoffbatterie, die in ähnliche Leistungs-Regionen vorstoßen soll.

Meist gibt es eine Garantie auf den Akku

Weil es aktuell vor allem darum geht, den Kunden die Angst vor dem Akku-Verschleiß zu nehmen, geben viele Hersteller von Elektroautos eine Garantie auf den verbauten Fahrzeugakku. Die umfasst meist acht Jahre, beziehungsweise 160.000 Kilometer.

Von der Zelle zum Akku

Aktuell gibt es solche Zellen in unterschiedlichen Standard-Größen. Rechts sieht man eine Zelle vom Typ 1860 wie sie beispielsweise bei Tesla zum Einsatz kommen könnte. In der Praxis bezieht Tesla seine Aktuellen allerdings nicht von Samsung, sondern von Panasonic.

Die Zellenform – eine Entscheidungsfrage

Was die Form der Zelle anbelangt, ist die Akku-Welt in zwei große Lager aufgeteilt: rund vs. eckig. Während Elektroauto-Pionier Tesla beispielsweise auf runde Aktuellen setzt, ist man in Wolfsburg vom kantigen Zellen-Design überzeugt.

Die runden Zellen lassen sich bauartbedingt nicht so dicht stapeln, wie eckige Zellen. Die Folge: Runde Zellen haben bei gleichem Volumen weniger Kapazität, können also weniger Ladung aufnehmen. Warum also setzt Tesla auf die ineffiziente Anordnung und verbaut weiter runde Zellen in seinen Elektroautos?

Ganz einfach: Weil die durch die Aneinanderreihung der runden Aktuellen entstehehnden Luftkammern entstandenen Kanäle ideal zum Abtransport von Wärme genutzt werden können – und davon entsteht beim Akku jede menge. Je stärker der Akku belastet wird, desto wärmer wird er.

Beide Zellformen haben also ihre individuellen Vor- und Nachteile, wobei es letztlich eine Geschmacksfrage der Hersteller ist für welchen Zellentyp sie sich entscheiden.

Mehrere solcher einzelner Zellen bilden gemeinsam ein Akku-Modul. Die Module wiederum werden dann zu einem Batterie-Paket zusammengefasst. Um beim Beispiel des Volkswagen ID.3 zu bleiben sind es 12 dieser Module, die ein Akku-Paket ergeben.

Was liegt an? Die Spannung einer Batterie

Die Batterie-Spannung ist aktuell eine Art Glaubensfrage und wird je nach Hersteller anders behandelt. Während Volkswagens ID.3 mit 408 Volt arbeitet, liegen beim Porsche Taycan satte 800 Volt an. Der Elektroauto-Pionier Tesla arbeitet hingegen mit 375 Volt. Um die Zahlen ein Stück weit einordnen zu können, sollte man sich zum Vergleich die normale Haushaltsspannung von 230 Volt ins Gedächtnis rufen – nur ein Bruchteil der Spannung eines E-Auto-Akkus.

Dass dieser gewaltige Energiefluss in geregelten Bahnen verläuft, ist Aufgabe der Leistungselektronik. Die wandelt den Gleichstrom des Fahrzeugakkus auch gleich noch in den für den Elektroantrieb nötigen Wechselstrom um. Sowohl die Frequenz als auch die Amplitude des Stroms wird von hier gesteuert, was wiederum die Leistung des Elektromotors beeinflusst. Es gilt: die Frequenz regelt die Geschwindigkeit, die Amplitude die Leistung.

Auch Navi und Co. werden von der Batterie gespeist

Weil die Bordelektronik, also Navi, Radio und Co. mit der enormen Spannung der Traktionsbatterie nichts anfangen kann, verfügen heutige E-Autos immer noch über eine 12 Volt Batterie, die die Spannung für das Bordnetz bereitstellt. Wenn ein E-Auto im Winter liegenbleibt, liegt das meist an einer erschöpften 12 Volt Batterie und nicht am Li-Ionen-Akku des Antriebs.

Kostentreiber Batterie?

Immer wieder hört man, dass das teuerste Bauteil des E-Autos die Batterie ist. Stimmt das? Aktuell muss man diese Frage mit einem klaren „Ja“ beantworten. Mehr als 10.000 Euro werden bei einem Mittelklasse-E-Auto für die Batterie fällig. Das sind immerhin rund 20% der Gesamtkosten eines Elektroautos.

Tesla, VW und Co. sind deshalb seit Jahren dabei, die hohen Batteriekosten zu senken – und das mit Erfolg: Allein in den letzten fünf Jahren hat sich der Preis pro Kilowattstunde mehr als halbiert. Seit Oktober 2021 ist der Preis für die Zellen jedoch erstmals wieder gestiegen. Grund hierfür ist die Rohstoffknappheit, gepaart mit der stark zunehmenden Nachfrage.

Damit Elektroautos günstiger als Verbrenner werden, muss der Preis pro kWh auf deutlich unter 100 Euro gedrückt werden. Dann ist das Elektroauto nicht nur im Betrieb günstiger (das Ziel haben sie schon lange erreicht, wie hier zu lesen ist), sondern auch in der Anschaffung. Möglich gemacht werden soll das unter anderem durch Skalierungseffekte. Volkswagen beispielsweise plant, sechs Gigafaktories aus dem Boden zu stampfen, die den Preis deutlich unter die 100-Euro-Marke drücken sollen.

Entsorgung 

Die Entsorgung der gigantischen Fahrzeugakkus ist eines der Lieblingsargumente von E-Auto-Skeptikern. In ihrem Horrorszenario werden jedes Jahr gigantische Mengen an seltenen Erden vernichtet und sind unwiederbringlich verloren, sobald das Fahrzeug ersetzt wird. Aber sind die im Fahrzeugakku verbauten Rohstoffe tatsächlich unwiederbringlich verloren?

Second Life

Aktuell gibt es auf die Entsorgungsfrage mehrer Antworten. Eine davon hört auf den hoffnungsvollen Namen „Second Life“. Gemeint ist damit, wie der Name bereits vermuten lässt, dem Fahrzeugakku ein zweites Leben, beispielsweise als Hausspeicher, oder als Großspeicher in Gebäuden, einzuhauchen. Indem man mehrere der alten Fahrzeug-Akkus zusammenschaltet, hat man einen Speicher, der groß genug für mehrere Haushalte ist.

Aber nicht nur Haushalte profitieren davon. BMW hat die ausrangierten Akkus seiner Elektroautos kürzlich dazu verwendet ein ganzes Konzert mit Strom zu versorgen. So bekamen die ausrangierten Fahrzeugakkus ein zweites Leben bekommen und der Veranstalter konnte ganz nebenbei auf den Einsatz klimaschädlicher Dieselgeneratoren verzichten.

Recycling

Eine weitere Möglichkeit ist es, den Akku zu recyceln, schließlich sind die darin enthaltenen Rohstoffe selten und dementsprechende wertvoll. Aktuell klappt das schon ganz gut, in Zahlen ausgedrückt lassen sich, je nach recyclingverfahren, bis zu 96% eines gebrauchten E-Auto-Akkus recyceln. Das ist allerdings sehr teuer und aktuell noch nicht wirtschaftlich, denn aufgrund der langen Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien sind heutige Recycling-Anlagen kaum ausgelastet. Ein weiteres Problem sind bei Unfällen oder Bränden zerstörte Akkus, sie können in der Regel nicht dem Recycling zugeführt werden und müssen als Sondermüll entsorgt werden.

Blick in die Zukunft – Mit diesen Akku-Technologien kann man in Zukunft rechnen

CATL (Contemporary Amperex Technology Limited) heißt eine der vielen offenen Wetten auf die Zukunft im Batteriebereich. Der chinesische Zulieferer hat kürzlich einen Natrium-Ionen-Akku vorgestellt, der ohne die oben genannten seltenen Erden, also namentlich ohne Kupfer, Kobalt und Nickel auskommt. Das leicht entzündliche Lithium wird bei CATL durch Natrium ersetzt.

Die Vorteile von CATL klingen überzeugend: Die Herstellung großer Akkupacks soll damit deutlich günstiger, einfacher, Co2-ärmer und schließlich auch umweltfreundlicher sein. Ganz nebenbei ist CATL auch deutlich besser fürs Schnellladen geeignet. Auf Seiten des Zulieferers ist 2023 mit dem Beginn der Serienfertigung zu rechnen.

Alles auf eine Karte will man hier natürlich nicht setzen und so gibt es einen weiteren Lichtblick in der Akku-Welt: den Feststoffakku. 

Feststoffakku

Er ist eine Art heiliger Gral der Akku-Industrie – und das völlig zurecht, wirft man einen Blick auf sein Potential.

Beim Feststoff-Akku wird gänzlich auf die flüssigen Elektrolyte verzichtet, wie sie im Lithium- und Natrium-Ionen-Akku vorkommen. Damit wird das System Akku deutlich weniger komplex und auch die Energiedichte kann im Vergleich zum Lithium-Ionen-Akku deutlich gesteigert werden. Im Unter Laborbedingungen konnte man damit bereits eine Energiedichte von 360 Wh/Kg realisieren.

Sollte die Technologie in den nächsten Jahren im Elektroauto zum Einsatz kommen, kann man mit der dreifachen Reichweite im Vergleich zu heutigen Elektroautos rechnen.

SALD

Eine weitere Hoffnung bei der Erforschung der Akkutechnologie für Elektroautos ist die sogenannte SALD-Technologie. Sie wurde unter anderem vom Fraunhofer Institut entwickelt und basiert im Kern darauf, dass die Akkuzellen mit einer speziellen Schicht überzogen werden, die nur ein Atom dick ist. Mit dieser Beschichtung soll die Ionen-Wanderung zwischen Anode und Kathode verbessert werden. Damit sollen problemlos Reichweiten von 1.000 Kilometern und mehr möglich sein, während zugleich der Ladevorgang fünfmal schneller ablaufen soll.

FAQs:

Wieviel wiegt die Batterie eines Elektroautos?

Die Batterie eines Elektroautos wiegt rund 500 Kilogramm. Kleinstwagen wie VWs up liegen mit etwa 250 Kilogramm deutlich darunter, Elektroautos mit hoher Reichweite, wie beispielsweise das Tesla Model S haben eine rund 700 Kg schwere Batterie.

Welche Kapazität hat die Batterie eines Elektroautos?

60 kW/h ist die durchschnittliche Batterie-Kapazität eines Elektroautos. Kleine Stromer, wie beispielsweise der e-UP (rund 37 kW/h) sind auf eine geringe Reichweite beschränkt, große Batteriekapazitäten, wie sie beispielsweise Teslas P100D mit einer Kapazität von 100 kW/h besitzt, sind hingegen für die Langstrecke gebaut.

Wo befindet sich die Batterie bei einem Elektroauto?

Die Batterie ist beim Elektroauto in der Regel im sogenannten Crashrahmen eingelassen. Das hat den Vorteil, dass der Schwerpunkt des Elektroautos extrem niedrig liegt und man so auch bei hohen Kurvengeschwindigkeiten keine Angst haben muss, dass das Fahrzeug gleich umfällt. Ein Argument, dass zugegeben nur die Wenigsten überzeugen wird – wer heizt schon regelmäßig mit 180 Sachen in die Kurve?

Was passiert, wenn man mit dem Elektroauto im Stau steht?

Viele fürchten sich davor mit dem Elektroauto im Stau stehen zu bleiben und den Witterungseinflüssen (allen voran der winterlichen Kälte) im Zuge einer drohenden Strom-Armut schutzlos ausgeliefert zu sein. Die Furcht ist allerdings gänzlich unbegründet. Wie wir von der eMobile Academy bereits hier angemerkt haben haben, kann man mit einem Elektroauto einem Stau im Winter deutlich gelassener entgegenblicken, als der Nebenmann mit seinem Verbrenner.

Die Heizung, respektive Batterie des Elektroautos, hält deutlich länger durch als der Verbrenner es bei laufendem Motor tut.

Allerdings gilt dieses Szenario mit einer Einschränkung: Im Elektroauto muss eine Wärmepumpe verbaut sein. Damit spart man beim Heizen nämlich jede Menge Energie, man muss aber auch gestehen, dass eine solche Wärmepumpe recht teuer in der Anschaffung ist. Gute 2.000 Euro Aufpreis werden dafür fällig.

Kann man die Batterie eines Elektroautos recyceln?

Ja, man kann aktuell bis zu 96% der E-Auto-Batterie recyceln. Die Verfahren sind allerdings recht aufwändig und dementsprechend teuer.

Wieviel seltene Erden sind in einer E-Auto-Batterie?

In einer 400 Kg schweren E-Auto-Batterie sind rund 100 Kg, 6 Kg Lithium, Graphit, 11 Kg, Kobalt, 32 Kg Nickel, und 10 Kg Mangan  enthalten.



Quelle Beitragsbilder:

Josua Sortino – UnsplashWikipedia, Volkswagen Newsroom

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