Batterien
Veröffentlicht auf 28. August 2020 |
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28. August 2020 durch Pressemitteilung
Moderne Fahrzeugbatterien ermöglichen bereits große Reichweiten und günstige Ladezeiten. Dennoch arbeiten Forscher an noch besseren Energiespeichersystemen. Porsche Engineering untersucht den aktuellen Stand der bewährten Lithium-Ionen-Technologie sowie neue Ansätze.
Die Tester aus Auto Bild waren beeindruckt. In rund 22 Minuten konnten sie die fast leere Batterie eines Porsche Taycan auf 80 Prozent aufladen. Ein Rekord, der in diesem Segment fast obligatorisch ist, weil sportliche Fahrer nicht die Typen sind, die auf eine Ladung warten. „Insbesondere für Porsche spielt eine hohe Ladeleistung eine große Rolle“, sagt Dr. Stefanie Edelberg, Ingenieurin bei Porsche Engineering. "Durch sportliches Fahren wird der Akku schneller entladen, und der Kunde möchte nicht eine Stunde warten müssen, um ihn vollständig aufzuladen."
Dr. Stefanie Edelberg arbeitet als Ingenieurin bei Porsche Engineering in der Abteilung Konzepte und Pakete für Elektro- und Hybridfahrzeuge. Das Team befasst sich mit dem Design, der Verpackung und der Entwicklung von HV-Batterien.
„Gerade bei Porsche ist eine hohe Ladeleistung entscheidend.“ – –Dr. Stefanie Edelberg, Ingenieurin
Fahrer müssen nicht mehr. „Die Batterietechnologie für Autos funktioniert in der Praxis gut, auch in Bezug auf Leistung, Ladung und Lebensdauer“, sagt Dirk Uwe Sauer, Professor für elektrochemische Energieumwandlungs- und Speichersystemtechnik an der RWTH Aachen.
„Einige extreme Eigenschaften können jedoch nicht kombiniert werden. Du kannst nicht alles auf einmal haben. " Ultraschnelles Laden kombiniert mit hoher Energiedichte? Dies ist nicht möglich, da die Lebensdauer unter dieser Kombination leiden würde. Sauer ist daher skeptisch gegenüber Medienberichten über vermeintliche Wunderbatterien, da in der Regel ein einzelner Parameter auf Kosten anderer optimiert wird. "Es wird keine universelle Allrounder-Batterie geben", sagt er.
Lithium-Ionen-Zellen: hohe Energiedichte
Energiespeichersysteme für Elektrofahrzeuge werden immer besser, aber Lithium-Ionen-Zellen werden auf absehbare Zeit die Technologie der Wahl bleiben. Dies liegt daran, dass die hohe Reaktivität von Lithium und die hohe Energiedichte der Zellen es ermöglichen, eine relativ große Energiemenge auf kleinem Raum zu speichern. Sie zeichnen sich außerdem durch eine gute Lagerfähigkeit und Robustheit aus, wodurch sie etwa 2.000 Ladezyklen in einem vollelektrischen Fahrzeug mit hoher Entladungstiefe standhalten können, bevor sie ihren Nutzen verlieren. Entwickler glauben jedoch, dass sie mehrmals so lange dauern könnten. Darüber hinaus haben Lithiumbatterien nicht den Memory-Effekt, unter dem Nickel-Cadmium-Batterien leiden. Bei häufigen Teilentladungen „erinnern“ sie sich an den typischen Energiebedarf und passen ihre Kapazität daran an.
Darüber hinaus bietet die Lithium-Ionen-Technologie noch zahlreiche Entwicklungsmöglichkeiten in Bezug auf Zellchemie und Zelldesign. Davon könnte beispielsweise die Energiedichte profitieren: Laut Forschern des Fraunhofer-Instituts für System- und Innovationsforschung (ISI) hat sich die Energiedichte in großformatigen Lithium-Ionen-Batteriezellen für Elektroautos in den letzten zehn Jahren nahezu verdoppelt – auf eine durchschnittliche spezifische Energie von 250 Wh / kg (oder 500 Wh / l Energiedichte). Bis 2030 könnte sich die Energiedichte um den Faktor zwei erhöhen.
Andere Eigenschaften von Lithium-Ionen-Zellen können ebenfalls weiter verbessert werden. „Die größten Herausforderungen sind schnelles Laden und Sicherheit“, berichtet Prof. Dr. Stefano Passerini, Direktor der Forschungsgruppe Batterieelektrochemie am Helmholtz-Institut Ulm. „Eine schnelle Aufladung auf 80 Prozent in 15 Minuten oder weniger würde Elektrofahrzeuge noch attraktiver machen. Die Sicherheitsanforderungen steigen jedoch auch in Verbindung mit dem schnellen Laden. “
Die Kapazität und Leistung des Akkus nimmt mit jeder übermäßig schnellen Ladung ab
Schnelles Laden ist eine Herausforderung, da Lithiumatome während des Ladens in die Kohlenstoffkristalle der Elektrode wandern. Beim Entladen werden sie von dort abgerufen. „Je schneller der Akku geladen wird, desto größer ist das Risiko, dass die Ladungsträger an der Oberfläche der Kristalle haften bleiben, eine Metallschicht bilden und so die Zelle beschädigen“, erklärt Sauer. Kapazität und Leistung nehmen also mit jeder Schnellladung ab. In extremen Fällen kann ein Kurzschluss auftreten. "Leider ist es nicht einfach zu sagen, was" zu schnell "genau bedeutet", sagt Sauer. "An vielen Orten wird intensiv nach Möglichkeiten gesucht, dies im Labor und vor allem im Fahrzeug selbst festzustellen."
Laden und Entladen einer Lithium-Ionen-Batterie: Bei Lithium-Ionen-Batterien sind die negative Elektrode (normalerweise aus Graphit) und die positive Elektrode (normalerweise aus Übergangsmetallschichtoxiden) durch einen Separator getrennt. Positiv geladene Lithiumionen können in beide Richtungen frei hindurchtreten. Beim Entladen fließen Elektronen von der Anode über den äußeren Stromkreis zur Kathode, während gleichzeitig positiv geladene Lithiumionen den Separator passieren und in die Kathodenstruktur wandern. Während des Ladevorgangs treibt eine externe Spannung die Lithiumionen in Richtung der negativen Elektrode zurück. Lithium eignet sich besonders gut für Batterien, da das leichteste Metall im Periodensystem sehr daran interessiert ist, eines seiner drei Elektronen abzugeben. Gleichzeitig führt ihre hohe Reaktivität auch dazu, dass Lithiumatome leicht chemische Bindungen eingehen. Um dies zu verhindern, müssen sie im Inneren der Batterie vor Luft und Wasser geschützt werden.
Weitere technologische Hürden warten ebenfalls auf die Entwickler: Die Ladestecker, Ladekabel und die Fahrzeuginfrastruktur müssen ebenfalls auf hohe Ströme ausgelegt sein. Das Motto lautet hier: "Ampere sind schwer." Mit anderen Worten: Hohe Ströme bedeuten dicke Kabel und damit Gewicht. Dies kann jedoch durch ein Hochspannungsbatteriesystem ausgeglichen werden. Aus diesem Grund war der Porsche Taycan mit einem Hochvolt-Batteriesystem von 800 Volt anstelle der in Elektroautos üblichen 400 Volt ausgestattet.
Um die Ladezeiten von Elektrofahrzeugen mit unterschiedlichen Batteriekapazitäten zu vergleichen, ist die C-Rate (C steht für „Kapazität“) eine nützliche Metrik. Es gibt das Verhältnis des Lade- oder Entladestroms einer elektrochemischen Zelle in Ampere (A) zur Kapazität der Zelle in Amperestunden (Ah) an. Ein Wert von 1 bedeutet, dass das vollständige Aufladen eine Stunde dauert. 2 steht für eine halbe Stunde, 3 für 20 Minuten.
Die Entwickler streben eine C-Rate von 10 an, was etwa sechs Minuten Ladezeit bedeutet – ähnlich wie beim Auftanken. Davon sind wir heute noch weit entfernt. Im Rahmen des FastCharge-Forschungsprojekts arbeiten Siemens, Phoenix Contact E-Mobility und Porsche unter anderem an der Verbesserung des Energieversorgungssystems für Elektrofahrzeuge. Das Industriekonsortium hat bereits große Fortschritte gemacht. Ein Porsche-Forschungsfahrzeug mit einer Batteriekapazität von rund 90 kWh erreichte eine Ladekapazität von 400 kW und ermöglichte auf den ersten 100 Kilometern Reichweite Ladezeiten von weniger als drei Minuten. Ein vollständiger Ladevorgang von 10 bis 80 Prozent an der ultraschnellen Ladestation dauerte 15 Minuten. C-Raten von 4 bis 5 sind daher möglich. „Ausschlaggebend war ein innovatives Kühlsystem für Batterie, Fahrzeug und Ladesystem“, erklärt Edelberg.
Prof. Dr. Stefano Passerini ist Direktor der Forschungsgruppe Batterieelektrochemie am Helmholtz-Institut Ulm (HIU). Sein Team untersucht Batterien sowie den nachhaltigen Umgang mit Ressourcen, Umwelt und Wirtschaft.
Es wird erwartet, dass die Festkörperbatterie Fortschritte in Bezug auf schnelles Laden und Sicherheit bringt. In diesem Fall wird anstelle des flüssigen Elektrolyten ein Polymer oder eine Keramik verwendet. Da keine Flüssigkeit verwendet wird, werden die Batterien kompakter, wodurch ihre Energiedichte erheblich erhöht werden kann. Gleichzeitig sind die Zellen weniger brennbar.
"Wir erwarten, dass Festkörper-Lithium-Ionen-Batterien die Sicherheitsprobleme verringern, da Festkörperelektrolyte weniger feuergefährdet sind." – –Prof. Dr. Stefano Passerini
„Wir erwarten, dass Festkörper-Lithium-Ionen-Batterien die Sicherheitsprobleme verringern, da Festkörperelektrolyte weniger feuergefährdet sind“, sagt Passerini. Theoretisch könnte es auch schneller aufgeladen werden. "Die praktische Machbarkeit muss jedoch noch bewiesen werden", schließt Passerini.
Leichte Alternative: Lithiumschwefel
Lithium bleibt jedoch die Basis – ebenso wie eine andere Variante, die derzeit intensiv untersucht wird: Lithium-Schwefel-Batterien. In diesen Zellen besteht die Kathode aus einem Schwefelnetz, das die herkömmliche Gitterstruktur von Kobalt, Mangan und Nickel vollständig ersetzt. Dadurch sind die Batterien deutlich leichter als herkömmliche Energiespeicher. Im Moment sind sie aber auch deutlich teurer, weshalb sie möglicherweise als Option für zukünftige Lufttaxis besser geeignet sind. Ihre Haltbarkeit wird immer noch als problematisch angesehen.
Andere Technologien zur Erhöhung der Energiedichte, die derzeit erforscht werden und jetzt oder in den kommenden Jahren auf den Markt gebracht werden könnten, umfassen Elektrodenmaterialien aus Silizium-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen, nickelreiche Kathodenmaterialien oder Hochspannungsmaterialien, die Zellenspannungen von etwa fünf ermöglichen Volt. „Die Forschung in diesen Bereichen ist der praktischen Anwendung bereits näher gekommen“, sagt Sauer. Er stellte jedoch fest, dass sich viele andere Ansätze noch auf dem Gebiet der Grundlagenforschung befanden, beispielsweise Natriumionen anstelle von Lithiumionen oder Metall-Sauerstoff-Kombinationen.
Produktionskapazitäten von Lithium-Ionen-Batterien: Obwohl China in einiger Entfernung weiterhin über die größten Produktionskapazitäten für Lithium-Ionen-Batterien verfügen wird, holen Europa und insbesondere Deutschland auf. Bis zum Ende des Jahrzehnts sollen Fabriken mit einer Jahreskapazität von 413,5 GWh bzw. 173 GWh eingerichtet werden.
Sauer sieht für alle Entwicklungswege eine entscheidende Frage: die Kosten. "Letztendlich ist die Reichweite eines Fahrzeugs nicht durch das Gewicht einer Batterie begrenzt, sondern durch ihren Preis." Laut den Beratern von Horváth & Partners ist der Preis für Lithium-Ionen-Batterien pro kWh von 400 Euro im Jahr 2013 auf 107 Euro im Jahr 2019 gesunken, aber der Preisrückgang wird sich aufgrund der steigenden Nachfrage nicht in diesem Tempo fortsetzen. Dies ist hauptsächlich auf die Rohstoffe zurückzuführen: „Rohstoffe machen bis zu 75 Prozent der Kosten einer Batterie aus“, sagt Sauer.
Eines ist klar: Im nächsten Jahrzehnt werden Lithium-Ionen-Batterien mit all ihren weiteren Verbesserungen die dominierende Technologie bleiben. "Fortschritt wird evolutionär und nicht revolutionär sein", sagt Sauer. "Ich erwarte keine großen Sprünge nach vorne, da die Grenzen der Naturgesetze bereits untersucht werden, während wir sprechen." Was nicht unbedingt schlecht ist: „Die Eigenschaften dieser Technologie sind zu gut, um durch irgendetwas anderes ersetzt zu werden. Die Elektromobilität funktioniert bereits sehr gut mit dem, was Batterien heute liefern können und dem Potenzial für eine weitere Entwicklung in den kommenden Jahren “, betont Sauer.
In Kürze
Lithium-Ionen-Batterien bieten bereits heute große Reichweiten und kurze Ladezeiten für elektrisch angetriebene Fahrzeuge. Die Entwicklung schreitet jedoch weiter voran. Neue Technologien wie Festkörperbatterien und neue Elektrodenmaterialien könnten die Energiedichte in Zukunft weiter erhöhen und die Ladezeiten weiter verkürzen.
Text: Chris Löwer
Mitwirkende: Dr. Stefanie Edelberg
Bilder & Artikel mit freundlicher Genehmigung von Porsche.
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