Wiederaufladbare Batterien - Group of Prof. Dr. Wolfgang Tremel

Abb. 13. Spezifische
Energien und Energiedichten
von
Kleinformat-Akkumulatoren.
In1 Vergleich
zu prismatischen
Zellen werden
bei zylindrischen
Zellen groflere spezifische
Energien
bzw. Energiedichten
pro vorgegebenemBatteriegehause-Volumen
erzielt.
Prismatische Zellen
konnen aber recht-
13
I
r I
WiedcrmfLudLare Rattevien 33 1
'm I
-* 1
5 100
(Prismstisch,
Alun-dniumgehauae)
Lithium-lonen
(Primatisch) -
NickeCCadmiurn
.
(Zylindnsch) 2 i
3 50 r-
i NickeCCadmiurn j) 1 (Riamatis&)
\.,-
' Nickel-Metalthydrid
(Zylindristh)
Nickel-Metallhydrid
I
L-.-_;_I -.L
(Pllsmatisch)
i i &---_I
OO 50 100 150 200 250 300
Energiedichte I Wh.L-'
eckigen ,,Raumvorgaben" in der Anwendung besser ,,angepaflt'' werden. Eindrucksvoll
ist auch der Einffufl der Massen der inaktiven hlaterialien, wic z. B. des Batteriegehauses.
[Quelle: Sanyol
nicht als Universalinstrument clicncn, um
Schwachen und Starlten der Systeme festn-
stcllcn, sondern iiur als Orienticrungshilfe.
Sehr wichtig fur die Zukunft eines Akkurnulators
ist die politische Einflufinahme, z. B.
uber einschrankende Gesetze bei Uniwcltschutz
und Kosten und selbstverstandlich
auch iibcr dic Fordcrung dcr nationalen lndustrie
und Forschung. Gerade die Entwicklung
von ESF-Batterien ist groflteils politisch
motiviert. Uiiter deni Eindruck der starkeii
Smog-Zunahme in Ballungszentren hat zum
Beispiel das California Air Resources Board
im Jahr 1990 ein Gesetz erlasscn, da13 ab 1998
rund 2 % (ab 2003 sogar 10 %) der im Staat
verkauften Motorfahrzeuge sogeriannte Zero
Emission Vehicles (ZEV) sein mussen. Schon
1996 wurdc abcr klar, dai3 dicsc Ziclvorstcllungen
nicht mit einem vertretbaren Kostenaufwand
realisiert werden konnen, so dali -
vorlaufig bis zum Jahr 2002 - die Zahl der
~erlcauften ZEV von der Nachfrage bestimmt
sein soll. Das United States Advanced Battery
Consortium (USABC) und das United
States Department of Energy (USDOE) fordert
die F&E-Aktivitaten vieler amerikanischer
und cinigcr curopiischer Battcricfirmcn
aus US-Bundesmitteln, wobei konkrete Vorgabcn
beziiglich dcr Lcistungsdaten und der
Kosten fur ESF-Batterien gemacht wurden.
Unabhangig davon unterstutzen auch starke
nationale Programme in Japan und Europa -
letztere auch yon der EU gefordert - Entwicklungen
auf dcm Gcbict dcr ESF-Batterien.
Ohne diese Subventionen wurden die
mcistcn Prototypen voii Elcktrostraflenfahrzeugen
sicherlich nicht existieren.
Chemie in unserer Zeit / 33. Jdhyg. 1999 / hk 6
Wie verniinftig dcr Einsatz batteriebctricbc-
ner ESF aus der Sicht des Umweltschutzes
ist, wird iinmer noch kritisch diskutiert, da ja
ein grofier Tcil der zur Wiederaufladung vcr-
wendeten Elektrizitat aus Kohle joder auch
Erdol und Erdgas) gewonnen wird. Zusatz-
lich werden auch fur die Hcrstcllung und das
Recycling der Batteriematrialien gro13e Ener-
gicincngen benotigt. So lasscn sich lokal -
also z. B. in Ballungszentrcn - durch cincn
ESF-Einsatz die Emissionen sicherlich redu-
zicrcn. Global hangt der Schadstoffausstofl
jcdoch vom jcwciligcn nationalen &aft-
werksmix" ab. Ernissionsfrei sind ESF nur
dann, wenn die Zuni Laden beniitigte Energie
aus emissionsfrcicn Kraftwerken koninit.
Wie sind nun die Chancen dcr Akkumulato-
rcn fur cine ESF-Anwendung im Vergleicli?
Die maximalen Reichweiten, welche in ctwa
mit der spezifischen Energie (Tabelle 1) kor-
relierc werden konnen, bewegen sich zwi-
schen ca. 60 km (Blei) und mehr als 250 kni
(Lithium-Tonen), wobei meist eine 300 bis
400 kg schwere Batterie verwendet wird".
Im Zeitalter dcs Drci-Liter-Autos wird man
aber auch mit dem Lithium-Ionen-System
gcwii3 nicht die spczifischcii Energien des
Benzins erreichen kiinnen: theoretisch ca.
12 OCC Wh lig-'. Bei einem Wirkungsgrad
"Generell liegt dadurch das Gewicht batterie-
bctricbcner Fahrzeuge deutlich uber dem
von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor,
die iiber vergleichbare Leistungsdaten ver-
fiigen.
i
i
von < 40 %':':, fur die Umwandlung der che-
niischcn Energie des Benzins in nutzbare me-
chanische Energie liegen die praktischen spe-
zifischen Energieri immer noch ein his zwei
Groflcnordnungen uber deiieii dcr Batterien.
Auflerdern mu13 beachtet werden, dall die
chemischen Energieverluste beiin Verbren-
lien von Benzin zu eiiiein Teil als Warme fur
dic Heizung dcs Falirgastraunics zur Vcrfii-
gung steht, wiihrend im ESF die xur Heizung
notige Energie von der elektrischen Energie
der Batterie abgezweigt werden mu&
Fiirsprecher des einen oder anderen Batterie-
systcnis stellen zusatzlich zur Reichweitc
auch die jewciligcn Vorteile wie Schncll-
Ladefahigkeit, Leistung, Sicherheit, geringc
Selbstentladung usw. in den Vordergrund
(Tabcllc 1). Um das Problcm dcr begrenzten
Reichweite von Akkumulatoren zu umgchcn,
die ansonsten uber sehr interessante Lei-
stungsdaten verfugen, wird ein 1 iybrid-Be-
trieb von Battcric uiid Vcrbrcnnungsmotor
vorgeschlagen und auch schon - zumindest in
Japan - in Serienproduktion gefertigt. Zum
Beispiel kann im Stadtverkehr der von der
Batterie betriebene Elektrornotor dem Ver-
brcnnungsniotor zugeschaltet werden und
diesen ,,entlastcn" oder iiherhaupt anstcllc
des Verbrennungsniotors arbeiten. Das kann
den gcringen Wirkungsgrad dcs Verbren-
nungsmotors im ,,Stop~and~Go"~Verkehr
zumindest teilweise konipensieren und hilft,
den Bcnzinverbrauch zu reduzieren. Bei den
jetzigen Herstcllungs- uiid Bctricbskosten er-
reichen irn Moment der Blei-Akku und in
Zukunft viclleicht das clcktriscli wiederauf-
ladbare Zink-Luft-System die Vorgabcn dcs
USABCLJSDOE von 100-150 $ kWh-'.
Mittcl- bis langfristig konnen durch die zu er-
wartende Erdolvcrknappung und -verteue-
rung, auch die eher teuren, von der Reichwei-
te her aber interessanten Hochenergiesyste-
me wic Na-NiClz odcr Lithium-Ionen
reizvol! werden. Indessen ist die Sicherhcits-
frage bei den Hochenergiesystemeri, insbc-
sondere bei dcn Hochtcnipcraturbattericn,
noch offen, nicht zuletzt weil generell die at-
::-:: Die Bandbrcitc dcs Wirkungsgrades crklart
sich dadurch, dafl ein Verbrennungsrnotor
hiufig, z. B. im Stadtverkehr oder auf Kurz-
strecken, nicht bei der optimalen Tourcnzahl
und Temperatur Iauft. Auch aus diesem
Grund wird fur batteriebetriebene ESF in cr-
ster Linie eine Anwendung im (stadtischen)
Nahvcrkchr als sinnvoll erachtet.