Batterietechnik für Elektromobile

Batterietechnik für Elektromobile
Bleiakkumulator
Dieser älteste Akkumulator wird auch als Traktionsbatterien oder Zyklenbatterie hergestellt
und findet Anwendung als Energielieferant in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen.
Es werden zyklenfeste Akkumulatoren verwendet, die wieder aufladbar und mehrfach
verwendbar sind. Sie sind in der Lage, ihre gespeicherte Energie über längere Zeiträume
abzugeben und viele Lade-Entladezyklen zu überstehen. Im Gegensatz zu Starterbatterien
können Traktionsbatterien bis zu 80% tief entladen werden ohne Schaden zu nehmen.
Während PKW-Starterbatterien eine Kapazität von 36-80 Amperestunden haben, werden für
Gabelstapler Traktionsbatterien mit Kapazitäten von 100 bis 600 Ah bei Betriebsspannungen
von beispielsweise 48 Volt verwendet.
Nachteilig ist das hohe Gewicht bzw. ihre recht niedrige Energiedichte. In den meisten
Anwendungen wird dieser Nachteil durch die hohe Wirtschaftlichkeit des Blei-Systems
wieder wettgemacht. Wenn jedoch extreme Kältefestigkeit, hohe Energie- oder
Leistungsdichte unbedingt vorrangig sind, empfehlen sich meist andere Systeme.
Die beschriebenen Bleiakkumulatoren kommen somit auf einen Energietichte von 25 bis 35
Wh/kg.
Nickel-Cadmium Akku (Ni-Cd)
Insbesondere beim Einsatz in Hybridfahrzeugen werden
Traktionsbatterien vom Typ Nickel-MetallHydrid (NiMH) mit
Spannungen von mehreren 100 Volt und unter 10 Amperestunden
eingesetzt. Immer häufiger wird die Kapazität der
Traktionsakkus nicht mehr in Amperestunden, sondern in
Wattstunden angegeben. So sind auch unterschiedliche Bauarten miteinander vergleichbar.
Die höheren Spannungen reduzieren die fließenden Ströme und sollen so die ohmschen
Verluste in den Leitungen und die thermischen Verluste bei Lade- und Entladevorgängen
vermindern.
Der Bleiakkumulator waren die am häufigsten verwendete Traktionsbatterie, jedoch werden
heute Akkus mit einer höheren Energiedichte und besserem Energieverhältnis verwendet.
Dabei haben Nickel-Cadmium-Akkus eine weite Verbreitung gefunden.
Die Energiedichte von Nickel-Cadmium-Akkus (50 bis 70 Wh/kg) ist aber noch immer zu
gering um gewünschte Fahrleistungen bei Elektromobilen zu erreichen.
Durch die Verwendung von umweltschädlichen Schwermetallen wurde 2004 von der
EU ein Cadmium-Verbot verabschiedet. Im Jahre 2006 wurde eine veränderte Version
der Richtlinien erlassen.
Lithium-Ionen-Akkumulator (Li-Ion)
Die Entwicklung der Lithium-Akkumulatoren ist ein Akkumulator auf der Basis von Lithium.
Der Li-Ionen-Akku zeichnet sich durch die zweimal höhere Energiedichte als Nickel-
Cadmium-Akkus aus. Er ist thermisch stabil, liefert über den Entladezeitraum eine konstante
Spannung von 3,6 Volt und unterliegt keinem Memory-Effekt.
Der erste kommerziell erhältliche Li-Ionen-Akku wurde von Sony im Jahr 1991 auf den Markt
gebracht. Anwendungsbereich sind heute Handys, Labtops und eine Vielzahl von
elektronischen Kleingeräten.
Im Umgang mit klassischen Li-Ionen-Akkus sind einige Anwendungshinweise wie
Tiefentladung, Überladung, „flacher und zyklischer“ Ladeprozess, Kurzschluss, Betriebs- und
Umgebungstemperatur und Lagerung zu beachten.
Wegen der sehr empfindlichen Reaktion auf falsche Behandlung, wurde dieser Akkutyp
lange Zeit nicht eingesetzt, obwohl er bereits Anfang des 20. Jahrhunderts erfunden wurde.
Li-Ion-Akkus werden heute in Verbindung mit einer BMS-Elektronik (Battery Management
EMOSALOR e.G. info@emosolar.com www.eomosolar.co

and Monitoring System) betrieben, was die Sicherheit im Umgang mit diesem Akkutyp
erheblich erhöht hat. Bei Akku-Packs kleiner und mittlerer Baugröße ist diese Elektronik
meist integriert; sie dient zum Schutz gegen Tiefentladung, Überladung und thermische
Überlastung. Eine selbstrückstellende Sicherung verhindert Überstrom bzw. Kurzschluss.
Die verwendete Prozessorsteuerung ist auf die Eigenschaften des jeweiligen Akkutyps
abgestimmt. Akku-Packs, in denen zur Spannungserhöhung mehrere Zellen in Reihe
geschaltet werden, verfügen oft auch über eine Elektronik, die durch sog. Cell-Balancing-
Ladung und -Entladung für jede einzelne Zelle individuell regelt.
Aufgeführten Risiken, die beim Umgang mit Li-Ionen-Akkus zu beachten sind.
Mechanische Beschädigungen können zu inneren Kurzschlüssen führen. Die hohe
Stromstärke lässt das Gehäuse schmelzen und in Flammen aufgehen.
Lithium ist ein hochreaktives Metall und in Verbindung mit Wasser entstehen
chemische Reaktionen. Auch wenn es wie bei Lithiumbatterien als chemische
Verbindung vorliegt, sind die Komponenten eines Li-Ionen-Akkus leicht brennbar. Li-
Ionen-Akkus sind zwar hermetisch gekapselt, dennoch sollten sie nicht in Wasser
getaucht werden. Brennende Akkus dürfen daher nicht mit Wasser, sondern sollten
zum Beispiel mit Sand gelöscht werden.
Bei thermischer Belastung kann es in den Lithium-Ionen-Batterien zu einem
Schmelzen des Separators und damit zu einem Kurzschluss mit verheerenden
Folgen kommen. Neuartige keramische und temperaturbeständigere Separatoren
gewähren allerdings eine erhöhte Sicherheit.
Interne Schutzschaltungen verhindern oft eine Tiefentladung sowie durch
Temperatursensoren und eine Spannungsüberwachung eine Explosion aufgrund
Überladung beziehungsweise Überlastung. Falls allerdings keine Schutz-Elektronik
vorhanden oder selbige defekt ist, kann der Akku Feuer fangen oder gar explodieren.
Weiterentwicklungen des Li-Ionen-Akkus sind der Lithium-Polymer-Akku, der Lithium-
Titanat-Akku, der SCiB, der Lithium-Mangan-Akkumulator und der Lithium-Eisen-
Phosphat-Akkumulator.
Für diese Produkte gelten die aufgeführten Vorsichtsmaßnahmen nur mehr eingeschränkt
oder gar nicht mehr.
Lithium-Polymer-Akku (LiPoly oder LiPo)
Wie beim Lithium-Ionen-Akku besteht die Kathode (negative Elektrode) aus Graphit, die
Anode aus Lithium-Metalloxid. Im Gegensatz dazu enthalten Lithium-Polymer-Akkus aber
keinen flüssigen Elektrolyten, sondern einen auf Polymerbasis, der als feste bis gelartige
Folie vorliegt. Die Komponenten des Akkus – Stromzuführung, negative Elektrode, Elektrolyt,
positive Elektrode – lassen sich preiswert als Schichtfolien mit einer Dicke von weniger als
100 Mikrometer herstellen. Die Bauform der Lithium-Polymer-Akkus unterliegt praktisch
keinen Beschränkungen.
Durch seine besonderen chemischen Eigenschaften erreicht der feste Lithium-Polymer-Akku
höhere Energiedichten ( bis 300Wh/kg) als ein Lithium-Ionen-Akku.
Die anfangs durch die aufwendige Herstellung hohen Preise sind aufgrund steigender
Stückzahlen deutlich gesunken. Aufgrund des hervorragenden Leistungsgewichts und der
sich stetig verbessernden Belastbarkeit werden sie auch immer häufiger im Modellbau
eingesetzt.
Lithium-Polymer-Akkus sind elektrisch und thermisch empfindlich: Überladen,
Tiefentladen, zu hohe Ströme, Betrieb bei zu hohen (größer 60°C) oder zu niedrigen
Temperaturen (kleiner 0°C) und langes Lagern in entladenem Zustand schädigen die Zelle in
den meisten Fällen.
EMOSALOR e.G. info@emosolar.com www.eomosolar.co

Lithium-Polymer-Akkus können sich bei Überladung entzünden oder auch verpuffen– daher
ist zur Ladung unbedingt ein für diesen Akku konstruiertes beziehungsweise ein spezielles
Li-Akku-Ladegerät (I/U-Verfahren) zu verwenden.
Handel erhältliche Lithium-Polymer-Akkupacks für Verbrauchergeräte enthalten bereits eine
für den jeweiligen Akku entwickelte Schutzschaltung (gegen Unterspannung und Überstrom);
das BMS-Lademanagement ist meistens im zugehörigen Gerät integriert.
Lithium-Titanat-Akkumulator
Der Lithium-Titanat-Akkumulator ist eine Weiterentwicklung des Lithium-Ionen-Akkumulators,
bei der die herkömmliche Graphitanode durch eine nanostrukturierte Lithiumtitanat-Anode
ersetzt wurde. Dies verhindert die Bildung einer Oberflächenschicht auf der Elektrode,
weshalb Lithiumionen die Oberfläche der Elektrode leichter erreichen können.
Der Lithium-Titanat-Akku ist eine Entwicklung von „Altair Nanotechnologies Inc.“ und
unter dem Markennamen nanoSafe Battery geliefert. Der Akkumulator ist laut Hersteller in
einem Temperaturbereich von −35°C bis +75°C einsetzbar und hat eine Lebensdauer von
mindestens 12 Jahren bzw. 20.000 Ladezyklen. Er soll in etwa einer Minute auf über 80%
seiner Kapazität aufgeladen werden können. Er erreicht eine sehr hohe Leistungsdichte von
ca. 4kW/kg bei einer Energiedichte von 70–90Wh/kg. Der Akkumulator birgt laut Hersteller
nicht die Gefahr eines thermischen Durchgehens. Der Wirkungsgrad des Akkumulators liegt
nach Aussage des Herstellers bei Normalladung bei 95%, bei Schnellladung (in 10 Minuten)
bei ca. 90%.
Die Energiedichte heutzutage in Elektroautos eingesetzter, konventioneller Lithium-
Akkumulatoren beträgt ca.120Wh/kg und ist höher als jene der Lithium-Ionen-
Akkumulatoren. Diese besitzen hingegen Vorteile bezüglich der Einsatzfähigkeit in einem
größeren Temperaturbereich, der hohen Anzahl an Ladezyklen ohne signifikanten
Kapazitätverlust, der hohen Leistungsdichte und der kleineren Gefahr eines thermischen
Durchgehens. Er wird in den Elektroautos Lightning GT und Phoenix Motorcar zum Einsatz
kommen.
Super Charge Ion Battery (SCiB)
Ist ein Akkumulator auf Basis der Lithium-Ion-Technologie des Herstellers Toshiba. Der
Vorteil der neuen Technologie ist deren extreme Schnellladefähigkeit bei gleichzeitig langer
Lebensdauer und einer geringeren Temperaturabhängigkeit. Nach Herstellerangaben lässt
sich der Akku innerhalb von fünf Minuten auf 90% seiner Nennkapazität laden. Die SCiB-
Zelle vereint eine Leistungsdichte von ca. 70Wh/kg die zwischen der von herkömmlichen Ni-
MH- und Li-Ion-Akkus liegt.
Insgesamt sollen die SCiB eine Lebensdauer von bis 5000 Lade-Entlade-Zyklen bzw. zehn
Jahren haben.
Der vorgesehene Einsatz liegt im industriellen Bereich, wie für Gabelstapler oder
Hybridautos.
Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulator (LiFe-PO4)
Dieser Akkumulator ist eine Weiterentwicklung des Lithium-Ionen-Akkumulators.
LiFe-PO 4 -Zellen liefern sehr hohe Entladeströme. Im Gegensatz zu herkömmlichen Li-Ionen-
Zellen scheidet sich bei Überladung kein metallisches Lithium ab und es wird kein Sauerstoff
freigesetzt. Beim Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulator ist das so genannten thermischen
Durchgehen nicht möglich.
Je nach Bauart ist eine Ladung auf 90% innerhalb von fünf Minuten möglich. Bei 4000
Ladezyklen ist seine Impedanz nahezu unverändert. Selbst bei vollständiger Entladung sind
noch über 1000 Zyklen möglich. Diese Kenndaten hängen allerdings sehr von der
verwendeten inneren Aufbau ab.
Auch die Leistungsdichte bis zu 3000 W/kg liegt höher als beim Li-Ion-Akku.
„Valence Technology“ bietet Akkumulatoren im Format einer Autobatterie unter dem
Namen „Epoch Power Systems“ an.
EMOSALOR e.G. info@emosolar.com www.eomosolar.co

Verwendung findet der LiFe-PO 4 -Akkumulator vor allem im Laptop und Fahrrädern mit
elektrischem Hilfsantrieb sowie im Modellbau. „Brammo“ begann 2008 mit der Produktion
von Motorrädern.
Lithium-Ionen/Mangan Hochstromzellen (Li-Mn 2 O 4 )
Durch die Verwendung neuer Kathodenmaterialien auf Mangan-Basis und dadurch stark
gesenktem Innenwiderstand der Zellen konnte nun auch deren Hochstromfestigkeit
entscheidend verbessert werden (LiCoO 2 ) als Kathodenmaterial. Als Alternative zum Lithium-
Ionen-Akku bot sich aufgrund des geringeren Preises, besserer Umweltverträglichkeit sowie
aus Sicherheitsaspekten Lithium-Manganoxid (LiMn 2 O 4 ) als Nachfolger an.
Die Hochstromfestigkeit von Akkus ist besonders für den Powertool-Markt und
Starterbatterien ein wesentliches Kriterium. So werden beispielsweise die Anlaufströme
lediglich durch die Innenwiderstände der Zellen begrenzt. Li-Ion Hochstromzellen (Typ 18650
bzw. 26650) für Power-Packs können aufgrund eines deutlich geringeren Innenwiderstands
bereits jetzt Peakströme bis 50 A und Dauerströme bis 30 A liefern.
Hochstromzellen auf Mangan-Basis weisen eine hohe Eigensicherheit auf, da Mangan nicht
mit Lithium reagiert. In vielen Fällen kann daher bei Akkupacks mit diesen Typen auf eine
elektronische Schaltung zur Überwachung von Unter- und Überspannung, Kurzschluss und
Temperatur verzichtet werden, was Gewicht und Kosten spart.
Li-Ion Hochstromzellen erschließen Einsatzgebiete für Akkus, die besonders hohe Peak- und
Dauerströme erfordern.
Vom Akku zum Dauerläufer
Die Firma EEStor kündigte eine "vollkommen neuartige" Energiespeichertechnik
(Ultrakondensator-Technik) an, die "den Markt verändern" werde. Man habe inzwischen zwei
wichtige Meilensteine erreicht und sei auf dem besten Weg, erste Systeme für die
Verwendung in Elektrofahrzeugen noch in diesem Jahr auszuliefern, so das Unternehmen.
Die Technik soll ein Hybrid aus elektrochemischer Batterie
und Ultrakondensatoren sein. Dabei kommt ein Barium-
Titanat-Pulver zum Einsatz. EEStor will damit deutlich bessere
Leistungswerte als bei aktuellen Lithium-Ionen-Batterien
erreichen – und zwar sowohl bei der Energiedichte, als auch
beim Preis, der Ladezeit und der Sicherheit. Pro US-Pfund
soll der neue Akku bis zu zehnmal mehr Leistung als Blei-
Batterien besitzen, gleichzeitig aber nur die Hälfte kosten. Auf
chemische Giftstoffe könne man hingegen ganz verzichten.
Rein rechnerisch ergeben sich so 280 Watt-Stunden pro
Kilogramm. Lithium-Ionen-Akkus erreichen hier nur 120 – Bleigelakkus gar nur 32. Dies führt,
sollte sich die Technik als funktionstüchtig erweisen, zu ganz neuen Möglichkeiten in der
Fahrzeugherstellung, aber auch bei diversen anderen Anwendungsformen.
Sollte das alles stimmen, könnten die Auswirkungen enorm wie weitläufig sein.
Dementsprechend ungläubig begegnen Experten der Ankündigung derzeit. Ein solcher
Durchbruch habe das Potenzial, den Fahrzeugbereich radikal zu verändern.
Erster Pilotkunde soll die kanadische Firma ZENN Motor sein, die Elektrofahrzeuge für den
Stadtverkehr herstellt. Das Unternehmen hat sich die exklusiven Rechte an der EESU für
EMOSALOR e.G. info@emosolar.com www.eomosolar.co

kleine und mittelgroße Autos gesichert. Bei ZENN Motor schätzt man, dass ein so
angetriebenes Auto mit einer neun Dollar teuren Stromladung 500 Meilen fahren könnte,
während man für dieselbe Leistung bei Verbrennungsmotoren 60 Dollar für Benzin zahlen
müsste.
ABSCHLUSSBEMERKUNG
Neuere Entwicklungen der Akkumulatoren-Technologie verringern angeblich die bisherigen
Nachteile von batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen erheblich.
• Eine Energiedichte von 0,08 kWh/kg (Dieselkraftstoff Vergleich 11,8 kWh/kg).
• Reichweite bis zu 400km pro Akkuladung, bei einem normalem PKW
• Resistenz gegen Kälte und Wärme: (−50°C bis +75 C).
• Im Gegensatz zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus können die Akkus durch das
geänderte Material weder Feuer fangen noch explodieren.
• Eine lange Lebensdauer von mehr als 20 Jahren (Zyklenzahl bis 15.000).
• Es soll möglich werden, die Akkumulatoren in weniger als 10 Minuten auf 90%
aufzuladen.
EMOSALOR e.G. info@emosolar.com www.eomosolar.co