Batterieelektrische Fahrzeuge -Woher kommt die Energie?

Batterien kennt jedermann aus dem Alltag: von Batterien für einfache Taschenlampen über Bleibatterien zum Starten von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor bis hin zu Lithium-Ionen-Batterien für elektronische Geräte oder Akku-Schrauber. Nicht wiederaufladbare Batterien werden als Primärbatterien bezeichnet, wiederaufladbare als Sekundärbatterien. Basiselemente sind dabei immer elektrochemische Zellen. Darin findet die Umwandlung der chemisch gebundenen Energie in elektrische Energie statt (Entladen). Bei Sekundärbatterien ist dieser Prozess reversibel, weshalb diese wieder aufgeladen werden können.

Elektrochemische Zellen bestehen immer aus einer positiven und einer negativen Elektrode. Diese befinden sich in einem Elektrolyten, der flüssig, gelartig oder fest sein kann. Der Elektrolyt leitet nur positiv geladene Ionen, aber keine negativ geladenen Elektronen. Damit sich die beiden Elektroden nicht berühren – was zu einem Kurzschluss führen könnte – gibt es dazwischen einen Separator. Beim Entladen wird das Aktivmaterial an der negativen Elektrode unter Abgabe von Elektronen oxidiert. Die gleiche Anzahl Elektronen wird an der positiven Elektrode durch Reduktion aufgenommen. Die Elektronen müssen hierfür den Weg über den äußeren Stromkreis nehmen, der „Verbraucher“ beinhaltet. Innerhalb der Zelle erfolgt der Ladungsausgleich, indem die bei der Oxidation entstandenen Ionen durch den Separator von der negativen zur positiven Elektrode fliessen. Dieser Prozess ist in Grafik 1 für eine Lithium-Ionen-Zelle in Entladerichtung dargestellt. Beim Laden wird am äußeren Stromkreis eine Spannung angelegt und der Elektronen-/Ionenfluss läuft in die andere Richtung.

Hinter dem Begriff Lithium-Ionen-Batterie (LIB) steht eine ganze Gruppe von Batteriesystemen, deren Zellen als gemeinsames Merkmal Lithium-Ionen (Li+) als «Arbeitsionen» sowie zwei Interkalationselektroden haben, in welchen die Lithium-Ionen ein- und ausgelagert (interkaliert) werden. Die negative Elektrode besteht meistens aus Graphit, die positive Elektrode aus einem Übergangsmetalloxid oder Metallphosphat. Das Lithium gibt dabei weder Elek- tronen ab noch nimmt es welche auf, was bedeutet, dass es zu jeder Zeit ionisch bleibt. Abgegeben und aufgenommen werden Elektronen hingegen von den Elektrodenmaterialien. Die LIB unterscheiden sich damit von allen anderen Batterietypen.

Dass sich LIB bezüglich Energiedichten von anderen Batterien wesentlich abheben, hat einerseits mit den hohen Nennspannungen zu tun, anderseits auch mit der geringen Dichte von Lithium, das mit 0.534 kg/l das leichteste Metall im Periodensystem ist. Anzumerken ist an dieser Stelle aber, dass Lithium bei heutigen LIB-Kathoden aus verschiedenen Gründen nicht in Reinform, sondern wie erwähnt in Form von Metalloxiden oder Metallphosphaten zur Anwendung kommt, was den Dichte-Vorteil etwas relativiert. Bei der Nennspannung handelt es sich um die mittlere Spannung bei der Entladung von Zellen oder ganzen Batteriesystemen. Lithium-Ionen-Zellen mit NCM- oder NCA-Zellchemie weisen Nennspannungen von etwa 3.7 V auf. Zum Vergleich: Bei Blei-Säure-Zellen liegt die Nennspannung bei lediglich etwa 2 V, bei Nickel-Cadmium-Zellen (NiCd) und Nickel-Metallhydrid-Zellen (NiMH) sogar nur bei 1.2 V resp. 1.2 – 1.4 V. Weitere Vorteile von LIB sind die geringe Selbstentladungsrate und der nicht vorhandene Memory-Effekt. Da LIB sehr empfindlich auf Tiefentladung und Überladung reagieren (was auch zu schneller Alterung oder thermischem Durchgehen führen kann) benötigen sie zwingend ein Batteriemanagementsystem (BMS), mit welchem die Spannung und Temperatur von jeder einzelnen Zelle überwacht werden kann.

Typische Metalloxide in LIB für Fahrzeuge sind Lithium-Nickel-Kobalt-Mangan-Oxid (LiNixCoyMnzO2) oder Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxid (LiNixCoyAlzO2). Hierfür werden die Abkürzungen NCM (auch NMC) resp. NCA verwendet, abgeleitet aus den englischen Bezeichnungen Nickel-Cobalt-Manganese / Nickel-Cobalt-Aluminium. Insbesondere bei NCM werden die Anteile von Nickel (x), Kobalt (y) und Mangan (z) variiert. Bei den ersten NCM-Zellen wurde 1-1-1-Material verwendet, in welchem diese drei Metalle zu gleichen Teilen vorhanden sind. Diese Zusammensetzung stellte einen guten Kompromiss zwischen Energiedichte und Sicherheit dar. In den vergangenen Jahren wurden nickelreichere Varianten entwickelt (z.B. 5-2-3, 6-2-2 oder 8-1-1), um die Energiedichten weiter zu steigern. Die Sicherheit wird hier stärker über die übergeordneten Batteriemanagementsysteme gewährleistet. Auch bei NCA können die Anteile von x, y und z variiert werden, die prozentualen Anteile liegen hier aber oft bei 80/15/5.

Bei LIB an Bedeutung gewonnen hat in der jüngeren Vergangenheit das Kathodenmaterial Lithium-Eisenphosphat (LiFePo4) mit der Abkürzung LFP (abgeleitet aus der englischen Bezeichnung Lithium-Ferro-Phosphate). Wie aus der chemischen Formel hervorgeht, enthalten LFP-Batterien weder Kobalt noch Nickel noch Mangan. Sie gelten zudem als zyklenfest, erlauben hohe Lade-/Entladeströme, weisen einen flachen Spannungsverlauf auf und lassen sich in weiten SOC-Fenstern nutzen (bis 95 Prozent der installierten Bruttokapazität). Weitere Vorteile sind der tiefere Preis und das hohe Sicherheitsniveau auf Zellebene. Kehrseite der Medaille sind hingegen die im Vergleich NCM-/NCA-Batterien geringeren Energiedichten. Während heutige NCM-/NCA-Batteriepakete, die von Form und Größe her für Nutzfahrzeuge und Landmaschinen in Frage kommen, gravimetrische und volumetrische Energiedichten von bis zu 180 Wh/kg resp. 270 Wh/l aufweisen (bezogen auf Bruttokapazität, Tabelle 1), erreichen LFP-Batterien nach Schätzungen des Autors derzeit nur etwa 70 bis 80 Prozent dieser Werte. Geschuldet ist dies hauptsächlich der geringeren Nennspannung, die bei LFP lediglich im Bereich von 3.3 bis 3.4 V liegt. Ein weiterer Nachteil ist die hohe Kälteempfindlichkeit, was die verfügbare Energiemenge bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt noch stärker einschränkt als bei NCM-/NCA-Batterien.

Bei batterieelektrischen Serienfahrzeugen in der Landtechnik kommen nach dem Wissensstand des Autors bisher nur NCM-Zellen zur Anwendung. Als Beispiele können hier die Traktoren Fendt e107 S Vario und Rigitrac SKE40 sowie der Kompakt-Teleskoplader KT144e von Kramer genannt werden.

Im LKW-Bereich kann aktuell ein Trend zu LFP-Batterien beobachtet werden. Ein Treiber hierfür dürfte das Megawatt-Charging (MCS) mit Ladeleistungsspitzen bis zu 1.000 kW sein. Damit sollen LKW-Batterien in Zukunft während Lenkpausen in 30 Minuten von 20 auf 80 Prozent State-of-Charge (SOC) geladen werden können. Ein prominenter Vertreter ist der neue eActros 600 von Mercedes Benz (Batteriekapazität netto 600 kWh, Spannungsklasse 800 V). Aber auch bei Traktoren dürften LFP-Batterien bald Einzug halten. Der chinesische Hersteller ZSHX Advanced Tractor hat angekündigt, solche Batterien beim XEEVO E904i einzubauen, der ab der zweiten Jahreshälfte 2025 marktverfügbar sein soll.

LIB für Elektrofahrzeuge bestehen oft aus Hunderten, manchmal sogar Tausenden von einzelnen Zellen. Im Tesla Model S beispielsweise werden 7.104 Rundzellen verbaut. Neben Rundzellen gibt es auch prismatische Zellen und Pouchzellen. Von der Zellchemie her unterscheiden sich diese Zellen kaum, die Form beeinflusst aber das sogenannte Packaging. Gemeint ist damit das Zusammenbauen der Zellen zu Modulen und Batteriepaketen mitsamt Befestigungen, Kühlplatten-/kanälen und Strom-/Datenverbindungen.

Rundzellen werden nach ihrer Dimension benannt. 18650 steht beispielsweise für 18 mm Durchmesser und 65 mm Länge. Tesla verwendete im ersten Elektroauto (Tesla Roadster, 2008) solche Zellen, die bis dahin in Laptop-Akkus verbaut wurden. In neueren Modellen (z.B. Model 3 and Model S Raven) kommen 21700er-Zellen mit Automobil-spezifischen Zellchemien (NMC oder NCA) zur Anwendung. Jüngste Entwicklung sind die wesentlich größeren 4680er-Zellen (Durchmesser 46 mm, Länge 80 mm). Das Weglassen der Null am Schluss wird auch bei den bisherigen Zellgrössen 18650 and 21700 zunehmend praktiziert (→ 1865 and 2170).

Prismatische Zellen und Pouch-Zellen weisen unter-einander einen ähnlichen Aufbau auf, der wesentliche Unterschied liegt beim Gehäuse. Bei den Erstgenannten ist dieses fest, bei den Pouchzellen handelt es sich um eine Art verschweißter Aluminiumbeutel, weshalb diese auch Coffee-Bag-Zellen genannt werden. Übliche Formate bei prismatischen Zellen sind 91x148x26.5 mm und 115x172x45 mm (LxBxH).

Die für Elektrofahrzeuge erforderlichen Spannungen und Ströme können über die serielle und parallele Verschaltung von Zellen erreicht werden. Bei der in Tabelle 1 aufgeführten Batterie HVB 250-400 von Designwerk beispielsweise gibt es vier parallele Stränge mit je 96 in Serie geschalteten Zellen (96s4p-Konfiguration). Bei einer Nennspannung von 3.74 V und einer Kapazität von 177 Ah der Zellen resultiert daraus eine Batterie-Nennspannung von 359 V (96 x 3.74 V) und eine Batteriekapazität von 708 Ah (4 x 177 Ah). Aus der Nennspannung und der Kapazität kann der Brutto-Energiegehalt von 254 kWh berechnet werden. Die Maximalspannung liegen bei dieser Batterie bei 416 V (vollgeladen, SOC 100 %) und die Minimalspannung bei 319 V (leer, SOC 0 %). Sie kann damit der Spannungsklasse 400 V zugeordnet werden. Dieser Spannungsabfall bei abnehmendem SOC ist typisch für NCM-Batterien. In Grafik 2 ist der Spannungsverlauf der etwas kleineren Designwerk-Batterie HVB 220-400 dargestellt.

Mit der Verschaltung der Zellen kann grundsätzlich jede beliebige Spannung dargestellt werden. Bei Traktionsbatterien üblich sind aber folgende Klassen: 48, 96, 400, 600 und 800 V. Mit 48-V-Systemen lassen sich E-Motorleistungen bis ca. 15 kW darstellen, mit 96-V-Systemen solche bis ca. 40 kW. In der Elektromobilität gehören Spannungen > 60 V bereits zum Hochvoltbereich und erfordern spezielle Schutzmaßnahmen.

Im Zusammenhang mit Traktionsbatterien tauchen viele Begriffe und Abkürzungen auf. Anhand von Grafik 3 sollen einige davon erklärt werden. Bei der Bruttokapazität handelt es sich um die vom Batteriehersteller installierte Energiemenge. Um Überladungen und Tiefentladungen zu vermeiden, kann diese aber nicht vollständig ausgenutzt werden. Bei NCM- und NCA-Batterien stehen hiervon netto etwa 80 bis 90 % zur Verfügung, bei LFP-Batterien sind es rund 95 %. Die Anzeige des Ladezustandes (State-of-Charge SOC) bezieht sich dabei aber nicht immer auf die Nettokapazität im Neuzustand, weil die Fahrzeughersteller oft noch eine Notreserve einkalkulieren, damit bei SOC 0 % noch zur nächsten Ladestelle gefahren werden kann. Einige Hersteller berücksichtigen bei der SOC-Anzeige zudem die abnehmende Kapazität durch die nicht vermeidbare Alterung. Ein Maß hierfür ist der Gesundheitszustand (State-of-Health SOH). Bei Traktionsbatterien geht man davon aus, dass diese bis zu einem SOH von 80 % genutzt werden können. Automobilhersteller garantieren in der Regel, dass dieser Wert frühestens nach acht Jahren unterschritten wird.

Bei der Batteriealterung werden zwei Arten unterschieden: Die kalendarische Alterung, die beispielsweise von der Lagerungstemperatur abhängig ist und permanent abläuft, auch wenn die Batterie nicht benutzt wird. Das Gegenstück ist die nutzungsabhängige Zyklenalterung, welche u.a. von der Anzahl der Lade-/Entladezyklen, der Höhe der Lade-/Entladeströme und der Entladetiefe beeinflusst wird. Jeder Lade- und Entladevorgang führt in den Elektrodenmaterialen zu Volumenänderungen und damit zu mechanischem Stress. Die Batteriealterung führt zu Kapazitätsverlusten und durch die zunehmenden Innenwiderstände auch zu Leistungsverlusten.

Die Entladetiefe wird in der Fachsprache als Depth-of-Discharge (DOD) bezeichnet und gibt an, innerhalb von welchem SOC-Fenster die Batterie entladen und wieder geladen wird. In Grafik 4 ist der Einfluß des DOD auf die Alterung dargestellt. Wenn eine Batterie ständig in einem SOC-Fenster von 5 bis 95 % (Lastprofil 1) betrieben wird, tritt der kritische SOH-Zustand von 80 % bereits nach 2000 Zyklen ein. Wird die gleiche Batterie flacher zykliert, also in einem SOC-Fenster von 20 bis 95 % (Lastprofil 2), wird der SOH von 80 % erst nach 3000 Zyklen erreicht.

Eine weitere Größe, die hier auftaucht, ist die C-Rate. Sie gibt das Verhältnis zwischen der Lade- oder Entladeleistung und der Bruttokapazität der Batterie an. Wird eine 100-kWh-Batterie beispielsweise mit 100 kW geladen, resultiert daraus eine C-Rate von 1 (100 kW / 100 kWh). Bei 50 kW Ladeleistung würde die C-Rate bei 0.5 liegen, bei 200 kW bei 2. Die Masseinheit der C-Rate wäre genau genommen x/h, was verdeutlicht, dass diese auch Informationen betreffend (theoretischen) Lade-/Entladezeiten beinhaltet. Bei den obigen Beispielen würden diese bei 1, 2 und 0.5 Stunde(n) liegen.

Die C-Rate beeinflusst auch die aus einer Batterie entnehmbare Energiemenge: Je höher die C-Rate (und damit der Entladestrom), umso weniger Energie gibt eine Batterie her! Ausgeprägt ist dieser Effekt aber erst ab C-Raten von 2.