Elektrisch

Batterien für Elektroautos ähneln einer einfachen AA- oder AAA-Batterie, sind jedoch bei weitem nicht mit dieser identisch.

Stellen Sie sich eine Batterie vor. Wahrscheinlich denken Sie an eine AA- oder AAA-Zelle im Standardformat, wie Sie sie kaufen, um verschiedene kleine elektrische Geräte wie die Fernbedienung Ihres Fernsehers oder einen Rauchmelder mit Strom zu versorgen.

Stellen Sie sich nun die Batterie eines Elektrofahrzeugs vor. Das von Ihnen heraufbeschworene Bild ähnelt wahrscheinlich eher einem großen Rechteck als einem kleinen Zylinder.

Auch wenn Ihr Verstand diese beiden Arten von Batterien möglicherweise als völlig unterschiedliche Stromspeichergeräte wahrnimmt, funktionieren sowohl die typische im Laden gekaufte Batterie für Ihre verschiedenen elektronischen Geräte als auch der Batteriesatz in einem Elektrofahrzeug nach denselben allgemeinen Prinzipien. Allerdings ist die Batterie in einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug etwas komplizierter als die lippenstiftähnlichen Zellen, mit denen Sie normalerweise umgehen.

Die Batterie in einem HEV, PHEV oder BEV (Hybrid-Elektrofahrzeug, Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeug bzw. batterieelektrisches Fahrzeug) kann aus einer Vielzahl von Materialien bestehen, die jeweils unterschiedliche Leistungsmerkmale aufweisen . Auch die einzelnen Zellen, die in diesen großen Batteriepacks gespeichert sind, gibt es in vielen verschiedenen Formen und Größen.

Die Zellen im Batteriepaket eines Elektrofahrzeugs verfügen jeweils über eine Anode (die negative Elektrode) und eine Kathode (die positive Elektrode), die beide durch ein kunststoffähnliches Material getrennt sind. Wenn der Plus- und der Minuspol verbunden werden (denken Sie an das Einschalten einer Taschenlampe), wandern Ionen zwischen den beiden Elektroden durch einen flüssigen Elektrolyten im Inneren der Zelle. Die von diesen Elektroden abgegebenen Elektronen gelangen unterdessen durch den Draht außerhalb der Zelle.

Wenn die Batterie Strom liefert (z. B. die Glühbirne in der oben genannten Taschenlampe) – ein Vorgang, der als Entladen bezeichnet wird –, fließen Ionen durch den Separator von der Anode zur Kathode, während Elektronen über den Draht vom Minuspol (Anode) zur Kathode wandern Der Pluspol (Kathode) dient zur Stromversorgung einer externen Last. Mit der Zeit nimmt die Energie der Zelle ab, da sie alles antreibt, was sie antreibt.

Wenn die Zelle jedoch aufgeladen ist, fließen Elektronen von einer externen Energiequelle in die andere Richtung (von positiv nach negativ) und der Prozess kehrt sich um: Elektronen fließen von der Kathode zurück zur Anode, wodurch die Energie der Zelle erneut erhöht wird.

Wenn Sie an die oben genannten AA- oder AAA-Batterien denken, stellen Sie sich eine einzelne Batteriezelle vor. Aber die Batterien in Elektrofahrzeugen sind keine riesige Version dieser einzelnen Zelle. Stattdessen bestehen sie aus Hunderten, wenn nicht Tausenden einzelner Zellen, die normalerweise zu Modulen zusammengefasst sind. Bis zu mehreren Dutzend Module können in einem Batteriepaket untergebracht sein, das die komplette Batterie des Elektrofahrzeugs darstellt.

EV-Zellen können kleine zylindrische Zellen wie eine AA- oder AAA-Zelle mit verschiedenen standardisierten Abmessungen sein. Dies ist der Ansatz, den Tesla, Rivian, Lucid und einige andere Autohersteller verfolgen und Tausende dieser kleinen Zellen miteinander verkabeln. Der Vorteil, so behaupten diese Unternehmen, besteht darin, dass die Massenproduktion kleiner Zellen weitaus günstiger ist. Dennoch plant Tesla, auf eine geringere Anzahl größerer zylindrischer Zellen umzusteigen, um die Anzahl der Anschlüsse innerhalb der Batteriepakete seiner Autos zu reduzieren.

Aber EV-Zellen gibt es in zwei anderen Formaten: prismatisch (starr und rechteckig) oder Beutel (ebenfalls rechteckig, aber in einem weichen Aluminiumgehäuse, das bei extremer Hitze eine gewisse Ausdehnung der Zellwände zulässt). Es gibt nur wenige standardisierte Prismen- oder Pouch-Zellenabmessungen, und die meisten Automobilhersteller – beispielsweise General Motors und Ford – spezifizieren ihre eigenen in Zusammenarbeit mit dem Zellenhersteller, beispielsweise CATL aus China, Panasonic aus Japan oder LG Chem aus Korea.

Die Chemie der Batterie eines Elektrofahrzeugs – oder die in ihrer Kathode verwendeten Materialien – variiert je nach Zelltyp. Heutzutage gibt es im Wesentlichen zwei Arten der Batteriechemie, beide unter dem Oberbegriff Lithium-Ionen, was bedeutet, dass ihre Kathoden Lithium zusammen mit anderen Metallen verwenden.

Bei der ersten Variante, die in Nordamerika und Europa am häufigsten vorkommt, wird eine Mischung aus Nickel, Mangan und Kobalt (NMC) oder Nickel, Mangan, Kobalt und Aluminium (NMCA) verwendet.

Diese Batterien haben eine höhere Energiedichte (Energie pro Gewicht oder Energie pro Volumen), neigen aber auch häufiger dazu, bei einem drastischen Kurzschluss oder einem schweren Aufprall zu oxidieren (Feuer zu fangen). Zellhersteller und Batterieingenieure verbringen viel Zeit mit der Überwachung von Zellen und Modulen, sowohl während der Herstellung als auch während der Nutzung während der gesamten Lebensdauer des Fahrzeugs, um das Risiko einer Oxidation zu begrenzen.

Der zweite Typ, der in China weitaus häufiger verwendet wird, ist als Lithium-Eisen-Phosphat oder LFP bekannt. (Dies trotz der Tatsache, dass Fe das Symbol für Eisen im Periodensystem ist, während F tatsächlich Fluor ist.) Eisen-Phosphat-Zellen haben eine erheblich geringere Energiedichte, sodass größere Batterien erforderlich sind, um die gleiche Energiemenge (und damit den Antrieb) bereitzustellen Reichweite) als NMC-basierte Batterien.

Dem steht jedoch entgegen, dass LFP-Zellen bei einem Kurzschluss weniger leicht oxidieren. LFP-Zellen kommen außerdem ohne seltene und teure Metalle aus. Sowohl Eisen als auch Phosphat werden heute in einer Vielzahl industrieller Anwendungen verwendet, und keines davon gilt auch nur annähernd als selten oder ressourcenbegrenzt. Aus diesen Gründen sind LFP-Zellen pro Kilowattstunde günstiger.

Die niedrigeren Kosten führten dazu, dass Tesla (und zuletzt auch Ford) LFP-Zellen in seinen Basismodellen von Elektrofahrzeugen verwendete und so die teureren und energiereicheren Chemikalien für teurere Modelle in der Produktpalette einsparte.

Die andere Zellelektrode, die Anode, besteht heute größtenteils aus Graphit.

Im Gegensatz zu Ihrer einfachen AA- oder AAA-Zelle erfordert eine Batterie für Elektrofahrzeuge eine Menge Software, um den Überblick zu behalten. Man kann davon ausgehen, dass eine AA- oder AAA-Zelle höchstens ein paar Jahre hält. Autohersteller gewähren jedoch eine Garantie auf die Batteriekomponenten ihrer Elektrofahrzeuge, oft für etwa ein Jahrzehnt oder bis zu 150.000 Meilen.

Alle Batterien von Elektrofahrzeugen verlieren mit der Zeit etwas an Ladekapazität. Da nur begrenzte Daten verfügbar sind, ist es schwierig, die Einzelheiten dieser Verluste zu ermitteln. Im Allgemeinen kann der Reichweitenverlust nach 100.000 Meilen in der Größenordnung von 10 bis 20 Prozent liegen. Mit anderen Worten: Ein Elektrofahrzeug, das ursprünglich eine Reichweite von 300 Meilen bieten konnte, würde zu diesem Zeitpunkt seines Lebenszyklus immer noch eine Reichweite von 240 bis 270 Meilen haben.

Um dies zu gewährleisten, verfügen die Batteriemodule und das Paket selbst über eine Reihe von Sensoren, die die von jeder Komponente gelieferte Leistung – idealerweise über alle Zellen und Module hinweg identisch – sowie die Wärme des Pakets überwachen. Eine Software-Suite namens Batteriemanagementsystem (BMS) überwacht diese Informationen.

Batterien sind wie Menschen anfällig für Temperaturschwankungen und ihre beste Leistung erbringen sie bei etwa 70 Grad Fahrenheit. Wenn die Batterie eines Elektrofahrzeugs Anzeichen dafür zeigt, dass sie zu heiß wird, zirkuliert das BMS der meisten modernen HEV-, PHEV- und BEV-Batterien Kühlmittel durch die Batterie, um Wärme abzuleiten und die Temperatur näher an 70 Grad zu bringen. Bei extremer Kälte liefern Batterien weniger Leistung. Wenn ein Besitzer eines Elektrofahrzeugs sein Fahrzeug vorkonditioniert, nutzen die Steuerungssoftware und das BMS möglicherweise Netzenergie (falls angeschlossen) oder möglicherweise etwas Batterieenergie, um die Batterie aufzuwärmen. Durch die Vorkonditionierung kann die Batterie eines Elektrofahrzeugs ein bestimmtes Leistungsniveau liefern, sobald der Fahrer losfährt.

Die Batterietechnologie entwickelt sich ständig weiter. Obwohl die heutigen Elektrofahrzeuge überwiegend Lithium-Ionen-Akkus verwenden, werden viele der batteriebetriebenen Autos von morgen wahrscheinlich Akkus mit anderen chemischen Zusammensetzungen verwenden. Beispielsweise sind Festkörperbatterien, die Zellen mit einem festen Elektrolyten verwenden, eine vielversprechende Alternative, in die viele Hersteller investieren. Tatsächlich plant Toyota, bis zur Mitte des Jahrzehnts ein Fahrzeug mit einer Festkörperbatterie auf den Markt zu bringen.

Festkörperbatterien sollen eine höhere Energiedichte bieten, die im Vergleich zu einer ähnlichen Lithium-Ionen-Batterie eine bessere Reichweite ermöglichen sollte. Diese bahnbrechende Technologie hat jedoch noch einiges vor sich, da die Ingenieure daran arbeiten, die Materialkosten für die Herstellung von Festkörperzellen zu senken. Ebenso muss sich die Lebensdauer dieser Zellen erheblich verbessern, um die Tausenden von Vollentladungszyklen eines HEV, PHEV oder BEV bewältigen zu können.

Unabhängig davon ist die Zukunft batteriebetriebener Fahrzeuge vielversprechend. Suchen Sie nach neuen Technologien, um die Effizienz und Reichweite von Elektroautos zu verbessern und die Kosten für Lithium-Ionen-Batteriepakete in den kommenden Jahren deutlich zu senken.

John Voelcker war neun Jahre lang Herausgeber von Green Car Reports und veröffentlichte mehr als 12.000 Artikel über Hybridfahrzeuge, Elektroautos und andere emissionsarme und emissionsfreie Fahrzeuge sowie das sie umgebende Energieökosystem. Heute befasst er sich als Reporter und Analyst mit fortschrittlichen Automobiltechnologien und Energiepolitik. Seine Arbeiten wurden in Print-, Online- und Radiosendern veröffentlicht, darunter Wired, Popular Science, Tech Review, IEEE Spectrum und NPRs „All Things Considered“. Er verbringt seine Zeit zwischen den Catskill Mountains und New York City und hofft immer noch, eines Tages ein internationaler Mann voller Geheimnisse zu werden.

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