Das Herzstück des E-Autos
Lithium-Ionen-Batterien (kurz: Li-Ion) sind die derzeit am häufigsten verwendeten Batterietypen in Elektroautos. Sie werden wegen ihrer hohen Energiedichte und guten Leistung im Vergleich zu anderen Batterien bevorzugt.
Warum werden Lithium-Ionen-Batterien in Elektroautos eingesetzt?
Li-Ion-Batterien sind in der Regel leicht, kompakt und sehr leistungsstark. Sie sind in der Lage, große Mengen an Energie zu speichern und über lange Zeiträume bei konstanter Leistung abzugeben. Lithium-Ionen-Batterien überzeugen zudem durch eine lange Lebensdauer. Im Vergleich zu anderen Batterien wie Nickel-Metallhydrid (NiMH) oder Blei-Säure-Batterien sind Li-Ion-Batterien weniger anfällig für Selbstentladung und besitzen eine deutlich höhere Energiedichte. Die Batterien sind auch bekannt für ihren hohen Wirkungsgrad und die geringen Kosten pro kWh. Sie sind daher die bevorzugte Batterie-Art für Elektroautos.
Die Vorteile der Lithium-Ionen-Batterien zusammengefasst:
- hohe Energiedichte – mehr Energie in einem kleineren Volumen
- geringes Gewicht
- Langlebigkeit: Li-Ion-Batterie weist selbst nach vielen Jahren nur geringe Kapazitätsabnahme auf
- Wiederaufladbarkeit: Lithium-Ionen-Batterien können mehr als 1.000 Mal wieder aufgeladen werden
Wo Licht ist, ist oft auch Schatten und so haben Lithium-Ionen-Batterien auch Nachteile:
- teuer – hohe Anfangsinvestition (allerdings werden die Akkus in der Entwicklung immer günstiger)
- aufwendiges Batteriemanagement – Kühlung erforderlich
- Lithium ist leicht entzündlich
- Abbau der Rohstoffe – aus umwelttechnischer und menschenrechtlicher Sicht bedenklich
Wie sind Lithium-Ionen-Batterien aufgebaut?
Je nach Hersteller weisen die Li-Ion-Batterien teils sehr große Unterschiede hinsichtlich der eingesetzten Materialien und deren Wirkung auf. Davon abgesehen ist der Aufbau jedoch gleich:
Die Batterie besteht aus vielen einzelnen Lithium-Ionen-Akkus bzw. Lithium-Ionen-Zellen. Diese sind wiederum in Modulen zusammengefasst und mehrere Module zusammen bilden schließlich die Lithium-Ionen-Batterie. Die Batteriezellen sind hermetisch verschlossen, um das Eindringen von Wasser und Sauerstoff zu verhindern.
Wie funktionieren Lithium-Ionen-Batterien?
Die Lithium-Ionen-Akkus bestehen aus Lithiumionen und Elektrolyten. Die beweglichen Lithium-Ionen sind die Ladungsträger und befinden sich an der negativen Elektrode (der Anode). Der Elektrolyt kann unterschiedlich zusammengesetzt sein, am häufigsten wird ein Lithiumsalz in einem organischen Lösungsmittel eingesetzt.
Beim Entladen gelangen die Lithium-Ionen durch den Elektrolyten von der negativen zur positiven Elektrode (der Kathode). Durch den Übergang vom Minus- zum Pluspol wird Energie gewonnen.
Beim Anodenmaterial kommen häufig Grafitverbindungen zum Einsatz, beim Kathodenmaterial häufig Metalloxid- bzw. Metallphosphat-Verbindungen. Es sind aber auch andere chemische Zusammensetzungen möglich.
Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien in Elektroautos
Aktuell (Stand: 2023) besitzen Lithium-Ionen-Batterien eine Lebensdauer von etwa acht bis zehn Jahren. Danach ist die Kapazität der Batterie so weit gesunken, dass sie nicht mehr sinnvoll für das Elektroauto genutzt werden kann, weil sie einfach zu wenig Energie speichert, um eine vernünftige Reichweite zu erzeugen.
Die Batterien funktionieren in einem bestimmten Temperaturbereich am besten. Dieser Optimalbereich liegt ca. zwischen -20°C und +60°C. Ein Kühlmittel sorgt dafür, dass die Batterie möglichst in diesem Temperaturbereich „arbeiten“ kann.
Die Einhaltung des Optimaltemperaturbereichs ist aber auch wichtig, weil sie Auswirkungen auf die Lebensdauer der Lithium-Ionen-Batterie hat.
Ebenfalls wichtig für eine lange Batterie-Lebensdauer sind folgende Aspekte:
- Elektroauto nicht vollständig laden, am besten bis höchstens 80 Prozent – vollständiges Laden belastet die Zellspannung
- Batterie nicht voll entladen lassen
- wenn möglich Temperaturen unter 0°C während des Ladevorgangs vermeiden
- Hitzeeinwirkung auf den Akku sollte ebenfalls vermieden werden, da sich dadurch die Elektrolyte zersetzen
- Elektrolyte können ab -25°C gefrieren – dieser Wert sollte nicht überschritten werden
- Schnellladevorgänge wirken sich negativ auf Lebensdauer aus
- moderate Fahrweise schon den Akku: häufig starkes Beschleunigen oder über längere Zeit Fahren bei Vollgas vermeiden
- jährliche Inspektion des Akkus ist empfehlenswert
Weiterentwicklung von Lithium-Ionen-Batterien für Elektroautos
Die Entwicklung bei Li-Ion-Batterien bleibt natürlich nicht stehen. Haltbarkeit, Sicherheit, Leistung, Ladezeiten – all das hat sich in den letzten Jahren deutlich verbessert und wird auch in Zukunft weiter verbessert. Zudem werden die Produktionskosten immer weiter optimiert.
Interessant in Hinblick auf die Weiterentwicklung der Lithium-Ionen-Batterien sind aber auch die Alternativen, die gerade erforscht bzw. entwickelt werden, z.B.:
- Aluminium-Schwefel-Akkus
- Feststoffbatterien
- Natrium-Ionen-Akkus
- Kalzium-Ionen-Akkus
Ob und inwieweit diese wirklich einmal Lithium-Ionen-Batterien ersetzen, ist mit deren aktuellen Forschungs- und Entwicklungsstand derzeit nicht abzusehen.
Recycling und weitere Nutzung von Lithium-Ionen-Batterien
Nur weil der Akku vielleicht nicht mehr leistungsfähig genug für das Elektroauto ist, bedeutet das nicht, das die Batterie entsorgt werden muss. Selbst nach mehreren tausend Ladezyklen besitzen die meisten Batterien noch einen Energiegehalt von 70 bis 80 Prozent und können damit einem Second Life Einsatz zugeführt werden, und zwar als Speicher im stationären Betrieb.
Im stationären Einsatz kann die Batterie noch sehr viele Jahre, oft sogar über 10 Jahre weiter genutzt werden, weil sie hier mehr geschont wird als beim Einsatz im E-Auto:
- keine Beschleunigungs-/Rekuperationsphasen
- gleichmäßigerer Betrieb
- langsames Laden und Entladen
Ein Beispiel solch für ein sinnvolles zweites Leben für die E-Auto Lithium-Ionen-Batterie zeigt das BMW-Werk in Leipzig:
2017 hat BMW aus 700 Akkus des i3 einen stationären Speicher gebaut. Damit wird der mittels Solar- und Windenergie am Werk erzeugte Strom gespeichert und der Produktion zugeführt.
Zum Vergleich die Einsatzmöglichkeiten im Privathaushalt:
Schon ein einziger Akku eines E-Autos kann mehr Energie speichern, als über einen Puffer in der Anlage für einen ganzen Haushalt benötigt wird.
Welche Stoffe können beim Lithium-Ionen-Batterie Recycling wiedergewonnen werden?
Mit dem Recycling können hauptsächlich die folgenden Rohstoffe zurückgewonnen werden:
- Lithium
- Kupfer
- Mangan
- Aluminium
- Kobalt
- Nickel
Der Stahl und die Kunststoffe des Gehäuses können ebenfalls recycelt werden.
Die Recycling-Schritte (Demontage, Sortieren, Schreddern usw.) sind teilweise sehr energieintensiv und entsprechend teuer. Das Batterierecycling steht jedoch noch ganz am Anfang und wird stetig verbessert, um die Kosten-Nutzen-Relation zu verbessern. Hinzu kommt, dass es derzeit noch nicht viele „ausgemusterte“ E-Auto Akkus gibt, was ein günstiges Recycling im großen industriellen Maßstab verhindert.
Lithium-Ionen-Batterie als Starterbatterie
Moderne Fahrzeuge benötigen aufgrund der Start-Stopp-Automatik-Technik besonders leistungsstarke Starterbatterien. Blei-Säure-Batterien sind hier der klare Favorit, weil sie das beste Preis-Leistungs-Verhältnis bieten. Allerdings sind die Batterien durch die Start-Stopp-Automatik einem erhöhten Verschleiß ausgesetzt. Lithium-Ionen-Batterien kommen mit diesen Anforderungen besser zurecht.
Während bei Motorrädern, zumindest im hochpreisigen, hochleistungsfähigen Segment, die Lithium-Starter-Batterie bereits häufiger eingesetzt wird, spielen sie beim Auto bisher keine Rolle. Das liegt vor allem daran, dass sich bei Motorrädern durch die Lithium-Batterie die Gewichtsreduzierung deutlich bemerkbar macht, während sie beim Auto kaum relevant ist.
Die Nachteile und Vorteile von Lithium-Ionen-Batterien als Starterbatterien im Vergleich:
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Lithium-Ionen-Starterbatterien – Vorteile |
Lithium-Ionen-Starterbatterien – Nachteile |
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